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[入门教程] 【掌控未来智造营】一把玩具枪引发的(xue an)物理实验

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#缘起#
从小旺仔爸爸就有一个疑问,小时候每到过年就买一把的玩具枪发射出来的子弹速度到底有多快?
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这个疑问一直持续了很多年,最近在做基于掌控板的物理实验,正好来探究一下这个多年的问题,手上没有玩具枪,那就用小朋友的玩具发射器代替一下吧
玩具发射器动图.gif


经过实验验证,玩具发射器发射的瞬间速度能够达到10mm/ms呢
玩具发射器动图2.gif


具体是怎么测量出来的呢,相信你很想知道这个实验装置的原理,本期就给大家带来基于掌控板科学实验的第三课
#掌控板科学实验系列课程课程三:时间-速度-位移实验
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      本课程适用于高中必修一第一章《运动的描述》中第2节《时间 位移》,第3节《位置变化快慢的描述—速度》,第二章《匀变速直线运动的研究》,第4节《自由落体运动》的内容教学,用于研究位移,时间,速度之间的变化关系,测量平均速度和瞬时速度
一、知识背景    时刻和时间间隔
    上午8时上课,8时45分下课,这里的“8时”“8时45分”是指这节课开始和结束的时刻,而这两个时刻之间的45min则是两个时刻之间的时间间隔,在表示时间的数轴上,时刻用点表示,时间间隔用线段表示,如图1所示
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图1 时间与时刻

    位置和位移
        为了定量的描述物体的位置,需要在参考系上建立适当的坐标系,例如想要知道洗手间在景区大门的什么位置,假设洗手间在景区大门的东边,可以采用平面直角坐标系来描述,以景区大门为原点O,向东为正方向,向西为负方向,卫生间在景区大门向东30米的位置
        售票处在景区大门向西-20米的位置,这里的描述就是参考原点的位置描述,如图2所示
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图2 位置

        由初始位置指向末位置有向线段能准确地描述移动者的变化,它不因路径的不同而改变,物理学中用位移来描述物体位置的变化,如图3所示
直线运动的位移
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图3 位移


做直线运动的物体,它的初位置为X1,末位置为X2,则物体的位移应该是由X1指向X2的红色有向线段,其大小等于末位置与初位置坐标之差X2-X1,在研究直线运动时,常用△X表示位移,记为△X=X2-X1
速度
不同的运动,位置变化的快慢往往不同,也就是说,运动的快慢不同。我们已经用位移来表示位置的变化,那么,怎样比较物体运动的快慢呢?物理学中用位移与发生这段位移所用的时间之比表示物体运动的快慢,这就是速度
速度通常用字母v表示,如果在时间△t内物体的位移是△X,它的速度就可以表示为v=△X/△t
平均速度和瞬时速度
一般来说,物体在某一段时间内,运动的快慢通常是变化的,所以,由△X/△t求得的速度v,表示的只是物体在时间△t内运动的平均快慢程度,叫做平均速度
可以设想,用由时刻t+△t一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度,如果△t取得小一些,物体在△t这样一个较小的时间内,运动快慢差异就不会太大。△t越小,运动快慢的差异就越小。当△t非常非常小时,运动快慢的差异可以忽略不计,此时,我们就把△X/△t叫做物体   在时刻t的瞬时速度,瞬时速度的大小通常叫做速率
通过以上的知识背景了解了时间,位移,平均速度和瞬时速度的知识,我们来测量一下平均速度和瞬时速度
二、实验方案确定
在高中物理课本中是利用打点计时器来测量的,如图4为打点计时器
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图4 打点计时器

        这次我们采用一种数字化的测量教具,如图5,图6所示为此次的实验教具,简述一下实现原理,两个红外避障传感器用来检测移动的物体,当有物体经过第一个红外传感器时记录时间time1,当有物体经过第二个红外传感器是记录时间time2,利用计算公式v=△X/△t,其中△t= time2-time1,△X为两颗红外传感器的间距可以由实验装置刻度读取出,计算物体的平均速度,当时间间隔足够短时,此时的平均速度为运动物体的瞬时速度,图6的电磁铁和砝码用于测量物体自由落体时的速度
        教具方案的选型迭代过程可以在文末看详细的附录,正文不再赘述(不过个人觉得方案的迭代过程对能力提升更有帮助)
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图5 测量水平移动物体的速度      

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图6 测量自由落体时的速度

以下是教具的简介
三、教具使用简介    1、教具的特色
        a.远程脱机数据采集,减少实验误差;
        b.实时保存,网络回传实验数据,保证了数据的准确性;
        c.可单一变量进行对比分析;
        d.多个实验集合,完成相关知识点的探究;
    2、教具的制作方法
        a.制作教具所需材料
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        b.设计接线组装
1)利用cad设计图纸,采用激光切割加工3mm奥松板,设计亮点在于突出了掌控板的声音,光线,触摸【Y】【O】引脚以及RGB灯,尤其是两个触摸引脚,在外壳上就可以直接使用,图纸与实物如图7,图8,图9
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图7掌控板主控端结构设计图      

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图8数据测量端设计图

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图9掌控板主控端结结构实物图      


3、线路连接
    如图10 为传感器接线图,两个红外避障传感器用来检测移动的物体,测量自由落体的物体时,电磁铁吸附砝码,按键用来控制电磁铁通断电
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图10 传感器接线

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图11 开关充电电路  

4、零件组装
        为了采集科学实验数据方便,特地设计了可折叠式的支架结构,如图12所示
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图12整体外观结构

如图13,图14为水平测量和竖直测量时实验装置的状态
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图13实验装置水平测量

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图14  实验装置竖直测量      

如图15,图16,图17,图18为局部图,两个圆孔为红外避障传感器的安装孔,长方形的孔位为电磁铁的安装孔位
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图15  电磁铁和砝码安装示意图      

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图16  红外避障传感器安装孔位      

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图17  电磁铁安装孔位

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图18  速度显示

5、原理分析与程序源代码
(1) 原理分析
        首先我们要知道此次测量的是平均速度和瞬时速度两个物理量,通过公式v=△X/△t,想要求速度可以通过位移和时间计算求得,接下来我们来了解具体测量的实现过程
两个红外避障传感器接掌控板p15和p16引脚,按键接p7引脚,当第一个红外避障传感器检测到物体经过时信号会由1变为0,记录下当前的系统时间time1,当第二个红外避障传感器检测到物体经过时,记录下系统时间time2,第二次的的时间减去第一次的时间也就是time2-time1,就是我们要求得的△t,位移△X可以由教具上的刻度知晓,如下图19所示

图19  局部刻度指示

(2)  程序源代码
  掌控板程序由【mpython】编写,如下图20所示,主程序连接网络和MQTT物联网平台,按键按下,两颗红外传感器等待检测移动的物体经过,通过公式v=△X/△t计算当前的速度,将速度显示在oled屏幕上并发送至Easy iot物联网平台
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图20

如图21所示,通过触摸【Y】【O】键调节位移参数,触摸【Y】键位移变量增加,触摸【O】键位移变量减少
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图21

四、实验展示教具使用方法课程导入
    物理课上同学们会利用打点计时器来测量纸带的移动速度,如图22所示,因为纸带和打点计时器的振针是有摩擦的,摩擦力多少会影响测量的数据,而且打点计时器对实验者的手速要求也比较高,如果过快的移动纸带,可能纸带过去了并没有记录,假如有一种非接触式的测量仪器可以尽量避免摩擦带来的实验误差并能够快速的响应,这样的实验数据会更可靠
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图22  打点计时器使用过程

    为了解决打点计时器实验中的误差问题,利用掌控板制作的这款教具有应用而生了,如图23,图24为教具展示
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图23  创新教具展示

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图24 创新教具展示

下面来具体展示一下实验教具使用的案例
实验活动1:测量水平运动的物体平均速度和瞬时速度
实验准备:
准备一辆可以移动的小车和玩具发射器如图25,图26所示(可用积木搭建或其他移动的装置代替),特地加了砝码的原因是,增加重量让小车行驶时更加稳定
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图25  移动的小车

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图26  玩具发射器

如下图27所示,使用3mm奥松板制作的测量装置,通过掌控板连接的红外避障传感器,当检测到移动的物体经过时,记录此时的系统时间(忽略图中的超声波传感器,它是做下一个实验使用的)
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图27 水平运动的物体速度测量

实验步骤:
1)掌控板上传程序,掌控板连接红外传感器,红外传感器的距离(△X)设置为15cm,12cm,9cm,6cm,3cm,1cm
2)将小车在轨道中水平移动
3)红外避障传感器检测信号记录系统时间
4)计算平均速度,显示数据并向Easy iot发送数据
5)将红外传感器的距离(△X)依次缩小至12cm,9cm,6cm,3cm,1cm
重复上述步骤测量速度
实验演示视频

实验结论:
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如图28,图29所示,为积木小车在位移为15cm,12cm,9cm,6cm,3cm,1cm时的时的速度(这里的位移指的是两颗红外传感器的距离)
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图28

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图29

如图30为6次测量结果在掌控板OLED屏幕上的显示数据,根据公式v=△X/△t计算
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图30

如图31,图32为玩具发射器在位移为1cm,2cm,3cm时的速度,因为发射器的形状不规则,位移拉长以后红外传感器不能全部检测到数值,所以只测量了3cm以内的数据(后续可以改进测量的传感器再进行尝试)
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图31

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图32

由上述数据可以得出结论:
△X越小平均速度越________________瞬时速度
课堂讨论:当两颗红外传感器的间距小于等于1cm时,平均速度是否可以等价于瞬时速度,玩具枪的发射速度,水弹枪的水弹速度是不是也可以测量呢
课堂讲解:瞬时速度和平均速度的关系,用由时刻t+△t一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度,如果△t取得小一些,物体在△t这样一个较小的时间内,运动快慢差异就不会太大。△t越小,运动快慢的差异就越小。当△t非常非常小时,运动快慢的差异可以忽略不计,此时的平均速度就可以看作是物体在时刻t的瞬时速度
实验中需要注意到问题:
    物体移动过程中,会受到哪些因素的影响,怎么样减少这些因素对实验的影响?
实验活动2:将实验教具竖直放置,测量自由落体时的平均速度和瞬时速度
程序更改:
由于实验2增加了电磁铁和砝码,所以需要将程序修改,新增一个按键,新增的按键接p13引脚,增加控制电磁铁的程序,程序如下图33
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图33

实验准备:如下图34,图35所示,准备50g砝码,使用3mm奥松板制作的测量装置,两颗红外检测传感器连接掌控板p15,p16引脚,两颗按键连接p7,p13引脚,分别起到控制电磁铁和发送数据的作用,电磁铁连接掌控板p14引脚
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图34 自由落体物体速度测量      

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图35  50g砝码

实验步骤:
按键控制电磁铁通断电吸附或释放砝码,当红外避障检测到下落的砝码经过时,记录此时的系统时间,如果我们要测量砝码经过红外避障传感器时的瞬时速度,两个红外传感器间的距离要足够小
1)掌控板上传程序,掌控板连接红外传感器和电磁铁,红外传感器的距离设置为15cm,先来测量两个红外传感器之间的平均速度,电磁铁安装在最高位置,然后依次降低电磁铁的高度,观察砝码经过红外避障传感器时的速度
2)电磁铁断电砝码自由落体
3)红外避障传感器检测信号记录系统时间
4)计算平均速度,显示数据并向siot发送数据
5)将红外传感器的距离(△X)依次缩小至12cm,9cm,6cm,3cm,1cm,电磁铁安装在最高位置,重复上述步骤,然后观察砝码经过红外避障传感器时的速度并记录,测量数据如下图36,图37所示
实验演示视频

实验结论:
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如图36,图37所示,为50g砝码在位移为2cm,5cm,8cm,11cm,14cm时的速度(这里的位移指的是两颗红外传感器间的距离)
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图36

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图37

如图38为5次测量结果在掌控板OLED屏幕上的显示数据,根据公式v=△X/△t计算,当间距△X为2cm时的平均速度接近于瞬时速度
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图38

由此可以得出结论:
△X越小平均速度越________________瞬时速度
课堂讨论:比较水平移动物体和自由落体时的物体的实验数据
课堂讲解:自由落体是的瞬时速度要大于水平移动时的瞬时速度
拓展活动:如下图所示为根据打点计时器纸带的数据判读物体时匀速还是变速,我们利用数字化的工具学会测量平均速度和瞬时速度后,再利用数字化的工具如何知道运动的物体时匀速还是变速,如果是变速,是加速还是减速呢
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课堂提示:这时候可以增加红外避障传感器的数量,测量物体移动过程中的速度,如下图所示,拓展任务留给同学们去测试
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五、结论(教具的演示结果的准确性;教具的可推广性)
本实验装置使用了掌控板及一些周边的传感器,成本低,结构器材采用激光切割的木板材料,可操作性强,实验操作简单快捷,和一些接触式的速度测量仪器相比数据可靠,数据采集方便直观,实验效果明显,可进行数据展示,可使用与教室演示和学生自主探究,有利于学生对本章节内容的学习和理解。

附录
#实验方案的迭代过程#
    本次实验的关键点是如何获取平均速度和瞬时速度,为了精确测量某一点的速度,需要精确测量物体经过红外传感器的时间,对于时间获取的响应速度是否准确,在两个编程平台中和两个主控上进行了测试,尝试过的编程平台有,【mixly】,【Mind+】,尝试过的主控有Arduino nano和掌控板,本次课程设计要求使用的主控为掌控板,先利用arduino进行可行性测试,然后再将方案移植到掌控板上会是一种不错的方法,接下来就将两块不同的主控在三个平台中的尝试过程分析给大家
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下图为arduino nano 测量到的速度在mixly串口监视器中的数值显示,两颗红外传感器的距离为11cm时小车经过时的速度大概在0.8mm/ms左右(当然速度也取决于手推动小车的力量,每次尽量保持力量相同)
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下图为两颗红外传感器的距离为1cm时的速度,这时的速度会有一点不稳定,推断可能和两颗红外传感器的间距太近有关,后续还可以再尝试更高精度的传感器,接下来再试一下间距2cm时的速度情况(当然速度也取决于手推动小车的力量,每次尽量保持力量相同)
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下图为两颗红外传感器的距离为2cm时小车经过时的速度,这时的速度大概在0.4-0.5mm/ms之间,两颗红外传感器的间距足够近时的平均速度可以近似看作是瞬时速度
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arduino的方案测试结束,接下来再利用掌控板在Mind+平台进行测试
下图为两颗红外传感器的距离为11cm时小车经过时的速度,速度大概在0.35mm/ms左右
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下图为两颗红外传感器的距离为2cm时小车经过时的速度,速度大概在0.3mm/ms左右
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下图为两颗红外传感器的距离为1cm时小车经过时的速度,速度大概在0.3-0.4mm/ms之间,为了能保证每次小车推动的力量是相等的,也尝试过将轨道倾斜一定角度,但角度倾斜后就会有重力参与做工,后放弃此方案,在测试将要结束时想到了用小朋友的玩具发射器,可以保证每次力量一致
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经过几种方案的测试,选用红外传感器测量响应时间,间接计算速度的方案,基本可行
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#改进#
本次实验还有待改进的空间,比如传感器的选型可以更加精确一点,水平移动时的小车推力可以想一种更加均衡发力的方案
#总结#
本次《时间 位移 速度》的实验让旺仔爸爸联想到,生活中其实有很多细小的场合,比如水弹枪玩具枪的发射速度,篮球、足球的移动速度等等,我们对速度的概念可能只是一种模糊的感觉,具体的数值并没有精确的了解过,通过本次实验,让旺仔爸爸对生活中一些细微的场合有了更进一步的认识,其实我们更应该有一双善于发现生活之美的眼睛,一起去探索生活各个角落的奥秘

造物让生活更美好,让我们一起动手造起来吧

接下来还会有更多的科学实验课程,欢迎关注【旺仔爸爸造物社】,一起期待下一期见
联系请加旺仔爸爸 18752544995




微信图片_2020042921484221.jpg

txm派瑞深山锹  高级技师

发表于 2020-4-30 09:00:02

低成本!(至少比学校老师们用的设备成本低!)
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Mr Guo  初级技匠
 楼主|

发表于 2020-5-1 15:28:56

txm派瑞深山锹 发表于 2020-4-30 09:00
低成本!(至少比学校老师们用的设备成本低!)

哈哈,确实低
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digi_cow  中级技匠

发表于 2020-5-7 20:48:41

已推荐给物理老师
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Mr Guo  初级技匠
 楼主|

发表于 2020-5-7 23:07:45

digi_cow 发表于 2020-5-7 20:48
已推荐给物理老师

感谢狄老师抬爱
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DFHJM_IpFmV  初级技师

发表于 2020-5-8 08:30:41

txm派瑞深山锹 发表于 2020-4-30 09:00
低成本!(至少比学校老师们用的设备成本低!)

确实,成本有点低!
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gray6666  高级技匠

发表于 2020-5-10 16:15:58

经典的学科融合案例,果断收藏
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Mr Guo  初级技匠
 楼主|

发表于 2020-5-10 22:56:41

gray6666 发表于 2020-5-10 16:15
经典的学科融合案例,果断收藏

感谢感谢
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Llllllambt  初级技师

发表于 2020-5-14 16:37:32

棒,学习到了
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