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测量平均速度
云天 云天 2020-08-02 18:13:43
3
1
简单

项目背景资料

【介绍】本项目取材于人教版八年级物理上册,第四节 测量平均速度。

测量平均速度 (基础实验)

1、实验原理:v=s/t 

2、实验器材:小木块、长木板、小车、刻度尺、通标、金属片

3、实验过程图像:

projectImage

通过基础测量实验可实现:

1、可以锻炼学生的动手操作能力

        正因为本实验较为简单,所用器材也较少,对学生而言没有过大的难度,因此这个实验完全可以由学生分小组进行操作。

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2、能够让学生亲身体验到误差不可避免的现象

        这个实验中,最大的难度就是时间的测量了,本实验中要求,小车开始运动(松手)时开始计时,小车撞倒金属片计时结束。

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        每个学生的反应时间不同,因此测量出来的时间误差大小也就不一样,因此教师在指导实验的时候,应引导学生全神贯注地去测量时间,尽可能地去减小自己反应时间,从而提升时间测量的精确程度。 但无论学生在测量时间时多么集中注意力,总会出现误差,可以通过本实验让学生对误差不可避免有更深刻的体会。

项目意义

    制作本项目实验装置是为减少人为误差,提高测量精度和效率,及时展示测量结果,并以图表形式展现,直观查看。

项目方案

    参考教材中“扩展性实验”的实验装置。利用Microbit主板+超声波传感器+霍尔磁性传感器等实现即时测定、显示物体运动的情况。

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材料清单 材料清单
1x
DFRduino UNO R3
1x
IO 传感器扩展板 V7.1
1x
URM37 V5.0超声波测距传感器
1x
4位数码管显示模块
2x
霍尔磁性传感器
1x
麦昆工程队-装载机配件
1x
数字食人鱼红色LED发光模块
1x
WS2812 RGB 全彩灯带(7灯珠)
1x
数字大按钮模块 红色
1x
I2C & UART BC20 NB-IoT & GNSS通信模块
步骤1 步骤1
选择测距传感器

先看下表:

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选择URM37的理由:

        URM37是一款功能强大的超声波传感器模块,内置温度补偿,确保在温度变化的应用场景中实现准确测距。它具有丰富的接口,集成了开关量、串口(TTL和RS232电平可选)、脉宽输出、模拟量输出等功能。

        另外,5.0版进行以下两方面升级:

        1、量程由5~500cm升级为2~800cm。

        2、 整个工作电压范围内,测距性能不会有任何变化。

步骤2 步骤2
选择主控制板

Microbit与Arduino的选择

        经测试:使用Microbit+电机驱动板对于TM1650四位数码管“插在I2C口上,存在供电不足问题(电机已外接5V电源)。

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最终选择DF Arduino UNO R3

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UNO R3的升级 

1,DFRduino UNO R3完全兼容Arduino UNO R3版本。同样使用了更强大的ATmega16U2替代了8U2。(或者说是之前版本的FTDI板)这允许更快的转换速度和更大内存,使得UNO R3版本在Linux或者Mac下不需要安装任何驱动程序,(Windows系统需要inf文件)并且有能力外接键盘,鼠标,摇杆等。 

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2,UNO R3还增加了AREF边上的SDA和SCL端口。此外,RESET边上还有两个新的端口。一个端口是IOREF,它能够使扩展板适应主板的电压。另一个空的端口预留给将来扩展的可能。UNO R3能够兼容任何现存扩展板并且能用它额外的端口适应新的扩展板。

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3、USB接口供电,不需外接电源,500mA自恢复保险丝避免你的电脑USB电源过载,另外有提供9VDC输入接口,USB与外接电源自动切换;输出电压:5V DC输出和3.3V DC输出 ;

步骤3 步骤3
选择IO 传感器扩展板

IO 传感器扩展板 V7.1

        本项目中,使用“IO 传感器扩展板 V7.1”,基于以下两个理由

        1、把Arduino的端口扩展成3P接口,直插3P传感器模块。14个数字口(6个PWM口),6个模拟口。

        2、舵机电源输入(5~12V) 可给数字引脚外部供电5~12V。 可用情况有两种: 1.数字引脚接入设备较多,比如在一些机器人的搭建平台中,使用了多个舵机,导致因电流过小而无法正常工作的情况。就可在该接口外接5V电源来补充电流。 2.当数字引脚接入了需要较大电源的器件,可在该接口直接外接5~12V电源。

        3、3.3V/5V输出电源切换 跳帽可以用于选择输出电源是5V或者3.3V。便于给需要3.3V电源的传感器供电。

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步骤4 步骤4
选择“速度显示器”

选择4位数码管显示模块的理由

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1、显示模式:8段 4位,显示速度值够用

2、采用IIC通信,节约IO口资源

3、在Mind+中使用简单

步骤5 步骤5
选择“启停”传感器

霍尔磁性传感器

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        基于霍尔感应原理的磁性传感器,可以用来探测磁性材料(磁铁),且不分极性,范围可达3cm左右(探测范围和磁性强弱有关)。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。与Arduino专用传感器扩展板结合使用,可以制作与磁性材料(磁铁)相关的互动作品。 

        看重的是它的非接触性,灵敏,可靠。

步骤6 步骤6
通信模块的选择
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Gravity:I2C & UART BC20 NB-IoT & GNSS通信模块是具有NB-IoT低功耗蜂窝通信和GPS/北斗双星精确定位功能的物联网通信模块。只要设备所在地区在NB-IoT信号覆盖范围内,无论在室内外均可轻松将开发板或设备采集的各类数据上传至云端,用户亦可通过云端发送指令来远程控制设备,实现云端与真实设备的双向通信与控制,实现“物联”,尤其适用于环境监控站、共享单车、车载定位等户外物联网应用场景。 此外,模块带有GPS/BeiDou双星精确定位功能,只要将定位天线置于室外即可获取精确的地理坐标和授时信息,实时监控设备的物理位置。用户可通过板载RGB指示灯,清晰了解模块的各类工作状态。为了兼容常见的Arduino、micro:bit、掌控和树莓派等各类3.3V/5V开发板,模块还采用了Gravity I2C & UART复合标准接口,并对这些创客用户常用的开发板在软件上作了全面支持。

步骤7 步骤7
器件连接
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步骤8 步骤8
电路图
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步骤9 步骤9
霍尔磁性传感器长距离传输压降问题

一开始霍尔磁性传感器通电后,没有反映。经过测试,我认为将霍尔磁性传感器的数据线延长一米,可能压降严重。

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使用充电宝,近距离供电。并与主板共地。

但霍尔磁性传感器传回的数据,通过串口显示,发现不正常。后来不断测试,发现这是个连接问题,是使用连接器与导线接触不好,没有将线压紧造成的。

projectImage

正常工作

步骤10 步骤10
通信模块测试
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BC20 NB-IoT & GNSS通信模块,使用联通无法实现信号连接,使用电信物联卡可以。

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图中BC20 NB-IoT & GNSS通信模块使用联通物联卡,蓝灯一直慢闪。连接不上。

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使用电信物联网卡,上电后,蓝色慢闪后,红绿色闪一下,连接成功。

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Mind+,BC20 NB-IoT & GNSS通信模块连接Easy IoT 程序。

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Easy IoT网址:http://iot.dfrobot.com.cn/index.html

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步骤11 步骤11
测试演示
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步骤12 步骤12
下落的物体速度是越来越大

让学生理解下落的物体速度是越来越大的,为以后学习动能和势能的转化打下基础

        以前很多学生在生活中都能感受到下落的物体速度是越来越大的,比如骑自行车在斜坡上往下走,不用蹬自行车,速度依然越来越快,往往是需要我们在斜坡上刹车的。可现在随着生活条件的转好,很多孩子都已经是车接车送了,已经很难有这种切身地感受。 我曾经就在一所学校调查过,里面竟有一半的学生不知道,下落(或沿斜坡向下)的物体速度是越来越快的。而这个实验恰好可以通过手机APP上平均速度的数据图像直观地告诉我们,沿斜坡向下运动,速度是越来越大的(v末>v初)

        这也是我们禁止高空抛物的原因,有时候物体虽然很小,但是下落的过程中,速度越来越快,到达地面时往往具有很大的速度、能量和破坏力。

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小球自由落体频闪照片

步骤13 步骤13
渗透分割思想,极限思维,为以后学习瞬时速度做铺垫

瞬时速度:物体在某一时刻或某一点(位置)时的速度。 

        本实验项目渗透了一些极限思维在里面,在高中学习的瞬时速度就是通过这种路程(以后会改为位移)的不断分割,当时间趋近于零,路程趋近于零时,用极小的路程除以极小的时间,我们就得到了这段极小路程的平均速度,而这个极小路程的平均速度我们可以粗略的认为是该点的瞬时速度。

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步骤14 步骤14
科学世界

        超声波测距实际上是利用了“仿生学”:蝙蝠的回声定位。那超声波测距的原理是怎么一回事呢?我们来看一下。

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步骤15 步骤15
生活应用

         本节所学的测量平均速度在生活中最出名的应用就是区间测速了。

         而超声波测距在生活中的应用相信大家也非常熟悉,那就是倒车影像中。

1、区间测速

        区间测速就是测量汽车在一段固定长度的马路上,测出在该段道路上行驶的平均速度。

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        如上图,当汽车来到图片上左端的“视频检测区域”时,当汽车轮胎压到这块区域时,会自动计时(在地面装有感应装置),汽车来到图片右端的“视频检测区域”,轮胎压到地面上的感应装置时,计时自动结束。我们就测出汽车在该段道路中的行驶时间了,由于距离是固定的,因此我们可以计算出,汽车在该段道路上行驶的平均速度。

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2、倒车影像(倒车雷达)

         大家在倒车的时候,相信都听过这样的声音:当距离障碍物较近时,汽车会发出“滴滴”的响声来提醒车主,离障碍物越来越近了,不能再往后倒车了。这个距离,就是汽车根据超声波测距自动计算出来的。

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3、汽车仪表盘和手机地图导航速度

         区间测速测量的是平均速度,这在物理中是一个考点哦。 另外我们在多提一句,汽车仪表盘上显示的汽车速度或者我们平时开手机地图导航时给我们播报的速度则是瞬时速度哦。怎么测量的呢?就是根据我们上文所说的极限思维测量出来的,我们的汽车和手机里有传感器,因此能够很方便的测出极小的时间和距离,让后计算出速度显示给我们。

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步骤16 步骤16
动手动脑学物理

1、在测量平均速度的实验中,应该用(               )测量小车通过的路程S,用(            )测量小车运动的时间t,通过公式 (                )求出平均速度v。

2、本项目中的方法测量平均速度的实验中,小车两次运动的平均速度v1、v2不一样,你认为可能的原因是什么?请简要列出两条可能的原因。

3、学校操场上跑道的长度是已知的。怎样利用这条跑道和手表,测定自己正常步行时、竞走时、长跑时的平均速度?

4、有一个量程为2m的卷尺,请你设计一个简单的方法估测你家到学校的路,写出具体的步骤。

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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