新泽西州高技术高中赛车项目

1、新泽西州高技术高中（High Tech High School）及赛车项目（NASCAR）简介HTHS简介：坐落于纽泽西Brookdale社区学院校区内。学校创办于1991年，之后，学校的入学申请和竞争逐年激烈。每年有75名学生从超过300多名优秀的学生中挑选出来，共有265名学生从全县学生中进入该校。师生比大约是1比12。生均经费$14,760，这些学生能代表整体群体的特征，文化的多样性，性别以及种族平衡。每班大约60人左右，课程采取学分制。学生社团包括有：学术小组、国际象棋小组、环境俱乐部、实验研究小组、担任后勤服务工作的私人俱乐部、数学联盟、模拟联合国、多元文化俱乐部、国家荣誉协会、演艺

2、俱乐部、机器人俱乐部、科学联盟、学生会、技术学生会、校年刊社。HTHS教育宗旨是：一所工程专业预备学院，强调数学、科学、技术和人文之间的联系，通过严谨的、专业化的课程和同伴合作使学生能成为问题解决者、有效的沟通者、以及未来的领导者。HTHS的信念是：所有的学生都能扩展自己的知识并达到教育目标。有效地交流和人际交往能力对个人成长是十分重要的。安全的和有吸引力的环境能激发学生的卓越表现、培养自信。多样性能培养学生对个体的生理、社会和情绪需要的尊重。在瞬息变化的世界里，有效领导要求好奇心、创造力、勇气以及遵从道德标准。广博的知识基础、问题解决策略以及研究能力是成功的关键。利益相关者之间观点、知识、才

3、能和资源的分享能扩展所有学生的学习机会。合作能丰富学生和教职工的教育经历。全面的课程是能提供挑战和原始研究机会的课程。基于项目的学习以及设计过程的知识应用是工程预备课程的关键组成部分。项目概述：课程目标：运用物理和技术的知识和技能，以一种充满刺激和挑战的方式，在设计规范内用合适的材料设计一个赛车，并且参与下列竞赛中的一项：1. 短途赛道赛车：赛道长5米，速度最快者获胜。2. 行驶距离比赛：行驶距离将从具体的起点沿某一方向计算，行驶最远者获胜。比赛时间为2分钟。细则：交通工具必须是自行推动的你不可以推、扔或者迫使你的赛车前进。所有的比赛将在研究实验室完成。所有的赛道都是直线形。你有责任让你的赛车

4、直线行驶。在起点位置时与车相连的任何材料都被认定为是车的组成部分。在短途赛道比赛中，车的尾端完全跨过终点线才算是计时终止时。在行驶距离比赛中，离起点最近的车体部分为确定行驶距离的参照点。所有的赛车，其行驶距离超过3米才算是合格。如果使用不被批准的材料（例如，热熔胶）将受到惩罚。附录1将列出允许使用的材料。任何有意或意外损害了其他队伍的赛车将有理由得到不合格或者可能全队55分的结果。所有赛车大小必须适合置于“工程料仓”内（大约181210大小的盒子，参见下页的图形）。随着项目的进行，可能提供后期规章。教育目标：正如所有的PoE（Principles of Engineering）项目，赛车项目的

5、学习重点是分析和设计。当然，制定以及执行计划也同样重要。分析涉及你们至今为止所学的力、功、能量以及功率之间的关系。类似的PoE课程涉及六种简单机械联合的结构。在NASCAR赛车中，所有的参赛者必须在相同的引擎规范下操作。因此，每队所能获得的动力资源是相同的。能取得胜利的队伍将是在赛车整个过程中最能充分利用动力的队伍。在这个项目中，每队所使用的动力资源来自一个标准的捕鼠器具体的说是Home Depot生产的Victor牌捕鼠器（4个售价2.4美元）。你们所面临的工程挑战要么是将能量尽可能转化为克服摩擦力做的功，使自己的赛车别别人的赛车跑得远；要么是产生最大的功率使自己的赛车比别人的赛车跑得快。每

6、个具体的设计可以考虑不同的设计要素。你们将被要求呈现自己所有的相关计算，以证明你选择的设计方式优于正式开始后的原始设计。当然，在项目设计阶段，原型设计和模型制造是被允许的。你们将被要求进行实验来确定自己的赛车的摩擦力以及空气阻力。关于如何选择你的赛车材料，你还将学会一点经济学课程。花费最少的前三名队伍将获得PoE的美元奖励。请参见允许使用的材料的成本列表。工程学日记：队伍中每个成员应该有自己的日记。除了常规介绍自己完成的角色外，日记还从以下几个方面进行评价：设计完善的历程选择的设计以及选择标准两者的描述设计理念的证明（理论上的计算或实验数据）项目提交的关键日期“项目”班级会议，2012年2月2

7、4日设计简介陈述你选择的比赛项目及你在应用知识时遇到的困难和局限。界定每个小组成员的角色。上交表格提供一份高质量的整个项目的计划书，说明主要活动以及在关键截止日之前可提交的项目成果。第一次班级会议，3月5日设计反思参见附录2中的指导第二次班级会议，3月19日合格的行驶赛车必须在赛道条件下至少行驶3米。最终设计细节必须涵盖以下几个独立的部分：设计决策的过程；所有校准实验和试验的结果；所有关于功率和能量的计算；对最终赛车表现的量化预测；赛车组件和装配的详细的、标有尺寸的CAD图形（2组）；详细的组装计划，特别是赛车的每个组件以及组装整个赛车顺序的详细说明。最终比赛日3月26日：比赛日最终表现测试具

8、体时间安排：二月会面2月20日这周设计活动: 理解问题完成: 设计简介 (包括赛事选择)课程: 摩擦力与表现2月27日这周设计活动: 最初设计完成: 首选设计课程: 齿轮、滑轮和轴承三月会面3月5日这周设计活动: 优化设计完成: 设计评论(展示)课程: 单元复习3月12日这周设计活动: 建造完成: 单元测试课程: 单元测试反馈3月19日这周设计活动: 资格赛完成: 最终设计文档课程: 无3月26日这周设计活动: 优化建造完成: 完整建造赛车现场试验 (比赛日 !)设计规范标题页小组成员和角色设计说明 (叙述) 设计目标 (目标值)想法来源最终设计的选择 (决策矩阵) 设计验证&最优化表现预估表

9、现测验结果成本分析结论或总结装配图 (标注规格)4月2日这周设计活动：项目收尾星期五开始春休PoE提供的材料：捕鼠器，每队一个，品牌和规格相同。你不需要将捕鼠器的价格加入你的赛车成本中。胶水（Elmer的白色学校胶水或者黄色木材胶水）*塑料齿轮* 红色款（小） $0.05/每个蓝色款 $0.20/每个黄色款 $0.45/每个绿色款（小） $0.20/每个绿色款（大） $0.50/每个*你可以使用其他的塑料齿轮（例如，乐高的）。你可以通过比较打算安装齿轮的面积大小估算齿轮的价格，这适用于所有可获得的齿轮。以美分为单位的齿轮价格2（以厘米为单位的齿轮直径）2四舍五入到5*你可以使用其他的胶水，但是

10、绝不可以在PoE教室中使用“热熔胶”或者“超级胶水”。附录1 材料及价格细目表物品描述规格尺寸价格纸张8.511纸张$0.01每张砂纸8.511纸张$0.10每张铝箔表面面积$0.005每平方英寸胶带（所有类型）表面面积$0.005每平方英寸硬纸板体积$0.10每立方英寸细绳（所有直径大小）长度$0.01每英寸橡皮筋（非用于动力）非拉伸时的长度$0.01每英寸订书钉物件$0.001每个曲别针，小&中物件$0.03每个大物件$0.05每个装订夹，小物件$0.05每个中物件$0.10每个大物件$0.15每个图钉物件$0.20每个钉子质量$0.02每克螺丝，螺钉，螺母和垫圈质量$0.02每克牙签物件

11、$0.001每个工艺棒（冰棍棒）物件$0.02每个超级工艺棒（压舌器）物件$0.04每个木杆（截面圆形或方形） 1/8直径线性长度$0.03每英寸 3/16 直径线性长度$0.07每英寸 1/4 直径线性长度$0.12每英寸 5/16 直径线性长度$0.18每英寸 3/8 直径线性长度$0.27每英寸 1/2 直径线性长度$0.48每英寸电线，小于22AWG*线性长度$0.01每英寸18至22AWG线性长度$0.02每英寸14至16AWG线性长度$0.03每英寸10至12AWG线性长度$0.04每英寸吸管（小口径）长度$0.01每英寸吸管（普通口径）长度$0.02每英寸气球（非用于动力）物体$

12、0.05每个卷轴（任何类型）基本体积$0.05每立方英寸激光唱片物件$0.25每个慢转唱片物件$1.00每个蛋装箱（一打鸡蛋大小）物件$1.00每个粘土千克$4.00每千克铁氟龙，或其他的塑料体积$0.03每立方英寸软饮塑料瓶（空）容量体积$1.00每升筷子或者其他木棒长度（参见木杆价格）钩和孔（类似螺丝等）质量$0.02每克*AWG：美国线规缩写附录2设计反思的指导和要求设计呈现在最终表现测验前你们有大约三星期的时间，每队将被要求进行5分钟的“设计反思”展示，其他队伍将对你们组的设计的优缺点进行评价。这次活动的目的是为了提高所有设计的质量。参与反思的别组听众可以将点子带回整合入自己的设计中。

13、展示将从以下几方面被评价：内容（设计概念，操作，遇到的具体问题和解决办法）理解（队伍将接受听众的挑战，回答问题展现自己的理解程度）表达（展示的清晰度和逻辑性）形式至多4张幻灯片（包括队伍名称，成员等）至多5分钟陈述至多3分钟问答内容设计概述设计目标（长赛道或短赛道）方法（设计基础）组件图画或轮廓主要解决的问题识别关键操作难题解决方式的计算或原型还没解决的重大问题（若有的话）附录3 评价量表目标（10分）：任何关于车的效率或与理论相比较/能量损失的内容，只提到得出赛车最终速率的给8分建造赛车的材料以及搜集关于车的数据（15分）：7分用于任何用于赛车的材料（根据赛车），8分用于搜集数据的材料必须提

14、到一些计时器、测距工具&质量测量（全8分须提到计时器、尺子、天平或者弹簧秤）（须提到软件、界面等）收集赛车的实验数据以及确定最终速率的方法（15分）5分从坡道放下（不推动，选择确定点释放，计算c和m的变化高度。）5分记录通过光电管的时间，而不是记录车从斜坡随意下滑（记录2次离开计算机的结果。）5分如何确定斜坡高度（测量c和m？其他的细节）数据表，包括搜集的原始数据以及所有计算的结果（20分）10分时间，距离、质量和高度10分计算的速率或者KEs（包括理论值&实验值）符号形式的所有计算以及代入数值，包括整式（20分）实验 v（5分）理论值 V（15分，其中GPE得5分，惯性力矩得5分，V=ome

15、ga x r得5分；或者，直接得出v=平方rt（2gh/n+1）数据搜集过程的误差来源（10分）每个误差来源得3分得出结论，比较预期速率与实验最终速率，判断你的赛车设计是否需要改进！（10分）姓名_目标：10分，提到效率/能量损失：8分，只提到确定最终速率“v”材料：7分，赛车材料；8分，搜集赛车数据所需的材料（必须包括计时器、尺子、天平、电脑界面的eqt）方法：5分，“从斜面释放赛车”（描写了任何细节（没有施加推力）；5分，计时（描写细节关于光电管或从斜道滑行开始计时）；5分，测量斜坡的高度（描写细节，车c和m）数据表：10分，原始数据（时间，质量，距离）；10分，计算结果至少2种方式得到最

16、终速率或者两种方式得到KE计算：实验v值（5分），理论v值（15分，通过解方程或者通过GPE的中间计算可以得到v=平方rt（2gh）/n+1（5分），惯性力矩（5分），omega=v/r（5分）误差源：3分每个（不包括数学错误）：一共10分结论（10分）：任何关于实验质量的合理解释（如何比较不同的V或者KE？这合理吗？这说明了赛车的设计什么？）项目指导3人一组的小队将设计和制造一个捕鼠器驱动的模具车，参加两种赛车中的一种比赛。最短时间完成5米赛道2分钟最长距离行驶材料选择的具体规则，允许对捕鼠器进行改进。参加PoE Bucks的赛车必须首先完成“达标”赛道。一个完整的设计文档，包括“摩擦力测试

17、”的结果，需要在赛车运行达标后完成。请参阅PoE论坛网站上的项目介绍获取详细信息。必须完成的能量损失实验在特定的距离里测量由摩擦力导致的能量损失：进行由Martino博士描述的实验：测量质量和每个车轮的半径测量整个赛车有车轮和车轮时的质量计算你期待小车从小坡下滑所产生动能测量你的小车从小坡下滑实际产生的动能分析和优化你的设计比较小车在坡顶的时候的重力势能以及存贮在赛车捕鼠器的弹性势能形成基于能力转换的数学模型来预估你的赛车表现比较模型预估的以及实际情况的表现识别差异的来源以及提出解释这些的方法测量距离测量高度关键日期简单设计 2月24日设计评论 3月第一个星期设计规范 3月第三个星期资格试验

18、3月第三个星期比赛日! 三月的最后一个星期核心任务项目经理 (规划许多事情)、决策矩阵以及赛道选择摩擦力测验资格赛比赛日!总工程师 (完成大量计算)理论上捕鼠器的机械优势理论上小车的速度和行驶距离根据摩擦力进行的纠正施工工程师 (许多原型建模工作)实施计划规划建构&时间安排设计最优化组员&角色初步设计活动研究 /选择标准首选设计属性最终设计基本建构关键特征操作概述问答PLTW 展示要求内容 (见右)组织 (见右)表达 (最多2个组员)展现 (见右)时间管理 (最多10分钟)我们主要的目的是知道你的解决方式（你为什么选择这个设计，它如何工作等等）以及依靠集体的力量给你们提出可能的改良建议。赛车表

19、现评定（包括实验室作业）PoE赛车项目的补充作业一般方法基能量守恒进行计算将存在弹簧中的弹性势能转化成小车的动能对最初的计算，假设能量是100%转换。通过考虑以下因素精致你的计算从捕鼠器中提取能量的效率损失因为阻力（例如：摩擦力）带来的损失选择符合你的设计意图的数学模型对于速度比赛，模型应该首先重视如何将动能最大化，其次是轮子停止旋转达到5米距离（轮子停止旋转后滑行完成未完部分）对于距离比赛，模型应最小化因为摩擦力等导致的能量损失，并在捕鼠器仍耦合在驱动轴上时最大化平移和旋转动能。赛车动能赛车的总动能是总平移动能加上主要部件的旋转动能。平移动能= Mv，其中M是赛车的总质量，包括轮子，v是小车

20、质心的线速度（速率？）旋转动能= I，其中l是旋转部分（主要是轮子）的惯性动能，w是那些部分的角速度。滚动轮子的动能将轮子近似看做唱片，拥有质量m以及半径R一张唱片的“惯性动能”为I = mR在一个完整的旋转过程中，轮子的轴将前进2R的距离。因此如果角速度是弧度/每秒，平移速度为v = R。因此，旋转动能为 I = ( mR)(v/R) = mv.将旋转动能加上平移动能得到“转动而不是滑行的”轮子的总动能：mv + I = mv + mv = mv。要得到赛车的总动能，需要加上所有的旋转轮子的旋转动能和整个赛车的平移动能。测量你的赛车的摩擦影响的两种方法使用弹簧秤直接测量这种测量的精确性受限于弹簧称的精确性，而且可能并没有包括空气阻力的影响。通过行驶已知的距离测量能量损