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[项目] 信息技术与物理学科深度融合案例 实验:物理反应时间尺

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本帖最后由 云天 于 2022-11-24 07:28 编辑

信息技术与物理学科深度融合案例
实验:物理反应时间尺
实验背景
“物理反应时间尺”是人教版高中物理必修一第二章第五节《自由落体运动》中“做一做”的内容,其中介绍了一种测定人的反应时间的简单方法。让一位同学A用两个手指捏住直尺的顶端,另一位同学B用一只手在直尺下方做捏尺的准备,但手不能碰到尺,记下这时手指在直尺的位置。当同学B看到同学A放开尺子时,同学B立即捏住直尺。测出尺子下落的高度,根据自由落体运动的知识,便可计算出同学B的反应时间。该方法简单易行,但每次都要进行计算才能间接地得出人的反应时间,且每次都需要两人配合完成。能否设计一个特殊的尺子及实验装置,一个人便能独立完成,且能立即读出对应的时间。
本节课将通过Excel软件制作反应尺,利用国产开源硬件“行空板”制作实验装置,实现一人独立完成实验,并可进一步完成自动测量、显示反应时间。
实验目的
1.综合运用自由落体公式解决实际问题。
2.熟练使用Excel软件中公式,计算反应时间。
3.了解触摸传感器的使用,学习用行空板编程获得数据并处理数据的方法。
实验原理
1.测定原理自由落体:
常规物体只在重力的作用下,初速度为零的运动,叫做自由落体运动。
自由落体运动源于地心引力,物体在只受重力作用下从相对静止开始下落的运动叫做自由落体(其初速度为V0=0m/s)譬如用手握住某种物体,不施加任何外力的理想条件下轻轻松开手后发生的物理现象。
计算公式h=1/2gt²(g=9.8m/s²),得
TueNovember-202211222027..png

2.反应原理:
反应速度是指从某个反射弧的感受器接受刺激开始,经过产生兴奋,传导神经,最后到效应器完成反射所需要的全部时间。反应速度又叫反射时。反射弧完成反射的神经结构,完整的反射弧是由感受器,传入神经、神经中枢,传出神经和效应器等五部分组成。反应速度的快慢跟个性差异有关,还与身体状况,注意力是否集中,不同的神经通路有关。
实验仪器
实验架台、行空板、触摸传感器、按钮、L289N驱动板、钕磁铁、线圈、锂电池组、数据线、计算机。
实验装置——做反应时间尺
在尺子上标注第下降1cm对应的反应时间。
步骤1:先用EXCEL软件计算出每下降1cm对应的反应时间:
在工作表中输入表头,在A2至A26单元格中输入1至25,在B2单元格输入“=SQRT(2*A2*0.01/9.8)”,表中SQRT为返回数值的平方根函数。这样就得到降落1cm对应的反应时间值。选中B2单元格,移向右下方,使指针变成黑色“+”(即填充柄)形,按住鼠标左键向下拖动填充柄至单元格B26,得到每下降1cm对应的反应时间数据。
物理反应尺电子表格.jpg
步骤2:用Word软件进行精确作图
绘制一个高为30cm的矩形框,在绘制均匀的刻度线,可利用绘图工具栏中的“对齐或分布”进行左对齐与纵向分布操作,使用刻度均匀分布。并用文本框标注对应的反应时间数值,复制得到多个。如下图所示(局部图):
物理反应尺Word.jpg
步骤3:制作完成两反应时间尺
将用Word设计好的图形进行电脑打印,沿轮廓线将它们剪下。用双面胶贴到轻纸板上,在顶端粘上钕磁铁。其中一个,用表面无绝缘漆的铜线上下缠绕。
反应尺.jpg

实践活动——分组实验1:
通过查阅资料我们知道,正常情况下人的反应时间在0.15s至0.4s之间。同学们分组实验,用我们制作的反应尺,按照课本上的实验方法,两人一组交替进行实验,并记录手动实际测量的反应时间,与资料中的反应时间0.15s至0.4s进行比较,以验证反应时间尺的有效性。
实验装置——做行空板实验装置
实物图
实物图.jpg

电池组1为行空板供电,电池组2为L289N供电,以驱动线圈;充电宝为扩展板供电,以支持按钮、触摸传感器、灯环。
行空板插在扩展上,触摸传感器接扩展板引脚P0,按钮接P1,L289N驱动板IN1、IN2分别接P12、P13。灯环接P16。
电路图
电路图.png

测量反应时间
1.手动测量反应时间
当检测到接在P0引脚上按钮被按下,灯环点亮绿灯,L289N驱动线圈产生磁性吸引反应尺上的钕磁铁,使用反应尺悬挂在实验架顶端。10秒后灯环熄灭,程序产生3秒到10秒的随机等待时间,然后红灯点亮,线圈断电,反应尺自由落体。2秒后灯环熄灭。当按钮再次按下,“启动标识”清零。
物理反应尺普通.png

当学生捏住反应尺后,可从尺子上读出反应时间,并记录。然后再进行重复实验。
此实验装置,可帮助学生一人独立完成实验,且可避免其他人为干扰,数据更真实可信。
2.自动测量反应时间
上个实验装置,最终反应时间仍需测试者通过尺子上的刻度去读出,因尺子测量精度不高,且在读数时还会产生人为误差。所以对测量装置进行改进。
之前制作反应尺时,已在其中一个尺子上缠绕了铜线,我们将铜线用更细的铜丝(表面有绝缘漆)连接到触摸传感器,当尺子自由下落后,被测试者用手捏住尺子会触碰到铜线,行空板会检测到触摸传感器传来高电平信号,并计算从此时到线圈断电时的时间差,从而得到反应时间。将反应时间显示在屏幕上。
物理反应尺.png
实践活动——分组实验2
师:在日常工作与生活中,有时需要人们反应灵敏,对于战士、驾驶员、运动员更是如此。请同学们分成两大组,一组进行手工测量,另一组进行自动测量。
生:将反应时间实验结果记录,计算平均反应时间,两组再进行比较,如数据差距较大,相互交流探讨,分析问题、查找原因,不断调整装置,提升装置准确度。
测试1.jpg

测试2小.jpg

课后反思
本节课学生通过用Excel处理数据与Word进行作图,增强了学生计算机办公软件应用能力。用行空板加传感器制作实验装置,利用自由落体原理实现自动测量反应时间。通过制作过程,培养了学生的动手能力与解决实际问题的能力。激发了学生学以致用的意识与发明创造的意识,培养了热爱科学的精神与团队协作精神。
演示视频

木子呢  NPC

发表于 2022-11-28 11:05:01

厉害
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