康留元

《勻變速直線運(yùn)動的位移與時間的關(guān)系》是人民教育出版社高中《物理》必修1第二章的內(nèi)容，雖然之前學(xué)生學(xué)習(xí)了《實(shí)驗(yàn)：用打點(diǎn)計時器測速度》，但是實(shí)驗(yàn)操作很煩瑣，并且存在很多問題，如空氣有阻力、紙帶與放電針之間的摩擦力過大、接通電源和釋放紙帶的先后順序不對等，這些問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在誤差，學(xué)生無法得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，我們可以利用LaserMaker激光切割創(chuàng)立方結(jié)構(gòu)、長木板搭建傾斜軌道和小車運(yùn)動檢測裝置，利用超聲波傳感器與掌控板連接，測量小車的運(yùn)動位移數(shù)據(jù)，從而測量得到相同時間內(nèi)位移差，且實(shí)驗(yàn)測量值與理論符合，表明了掌控板用于物理實(shí)驗(yàn)測量具有可行性。

● 準(zhǔn)備器材使用

實(shí)驗(yàn)所需要的器材：①掌控板;②掌控寶（拓展板）;③超聲波傳感器;④數(shù)據(jù)線、IIC杜邦線、固定螺絲等;⑤木板、LaserMaker創(chuàng)立方、玩具小車。

實(shí)驗(yàn)所需要軟件：LaserMaker（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2），Mpython（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2）。

● 超聲波傳感器原理

①定義：超聲波測距傳感器是一款通過發(fā)射和接收機(jī)械波來感應(yīng)物體距離的電子傳感器。

②原理：傳感器發(fā)射超聲波時，當(dāng)遇到物體被反射回來的信號被檢測到，根據(jù)發(fā)送和接收到的時間差，可以計算物體運(yùn)動的距離。

③應(yīng)用：超聲波定位、測距、避障等，有效測距范圍3～300cm。

④操作：通過I2C接口讀取準(zhǔn)確的距離數(shù)據(jù)，將測距值返回掌控板。

⑤引腳：VCC接紅色電源線;GND接黑色地線;ECHO連接I2C_SDA綠線（接受端）;TRIG連接I2C_SCL黃線（發(fā)送端）。

● 實(shí)驗(yàn)平臺組裝

平臺組裝包括：LaserMaker設(shè)計模型（如下頁圖1），搭建創(chuàng)立方（如下頁圖2）、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材（如下頁圖3）、組裝實(shí)驗(yàn)平臺（如下頁圖4）。

● 編程測量超聲波傳感器數(shù)值

1.認(rèn)識Mpython

（1）工作界面

界面分成上、下兩部分。上為菜單欄，下為工作區(qū)。工作區(qū)又分五個區(qū)域，分別是模塊區(qū)、指令區(qū)、編程區(qū)、仿真區(qū)/探究區(qū)和交互區(qū)。

（2）連接掌控板

通過數(shù)據(jù)線連接掌控板和計算機(jī)，具體操作為：打開mPython0.2.2，在菜單欄切換為“圖形模式”，選擇連接設(shè)備——串口com27（如圖5）。

（3）燒錄固件

在設(shè)置菜單中，燒錄最新固件，選擇一個固件掌控板官方固件（2020-01-16），點(diǎn)擊確定（如圖6）。

2.編寫程序

①在模塊區(qū)的擴(kuò)展塊中添加Bluebit，I2C超聲波模塊;在應(yīng)用擴(kuò)展模塊中添加文件模塊;在數(shù)學(xué)模塊添加初始化圖標(biāo)列標(biāo)題及打印數(shù)據(jù)到圖標(biāo)（如下頁圖7）。

②初始超聲波數(shù)據(jù)，初始圖標(biāo)標(biāo)題，并顯示“驗(yàn)證伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”。具體操作為：采集超聲波傳感器數(shù)據(jù)，寫入文件“1.txt”，在探究區(qū)圖標(biāo)顯示，且在掌控板上實(shí)時顯示超聲波測到的數(shù)據(jù)（如下頁圖8）。

需要注意的是：①掌控板通過I2C線與超聲波傳感器連接后，再刷入程序。②在交互區(qū)出現(xiàn)“Traceback （most recent call last）： File "main.py"， line 37， in File "bluebit.py"， line 240， in distance”時，有可能I2C數(shù)據(jù)線存在質(zhì)量問題，需及時更換I2C線。

3.數(shù)據(jù)采集

在測量超聲波傳感器調(diào)試數(shù)值時，可以利用Mpython串口窗口觀察超聲波接收的返回值，并可以在USB串口打印輸出超聲波返回值（如下頁圖9）。

4.點(diǎn)線顯示

在探究區(qū)以點(diǎn)線圖的方式顯示數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)變化。

5.數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)測量完成后，在探究區(qū)的右上角下載表格中超聲波數(shù)據(jù)chart.xls;或者進(jìn)入代碼模式，下載掌控板中超聲波數(shù)據(jù)文件1.txt。

6.數(shù)據(jù)分析

①將超聲波收集到的小車運(yùn)動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1s～17s，小車沒有放上斜面，超聲波顯示340.1cm;17s～27s，檢測到小車，超聲波顯示221.0cm;28s～38s，小車開始勻加速直線運(yùn)動，超聲波數(shù)值逐漸減小。

②勻加速直線運(yùn)動位移和時間實(shí)驗(yàn)報告：第25個t位移為0.9;第26個t位移為3.4;第27個t位移為5.5……

數(shù)據(jù)顯示符合勻加速直線運(yùn)動位移和時間關(guān)系：第1個t內(nèi)、第2個t內(nèi)、第3個t內(nèi)……、第n個t內(nèi)（相同時間內(nèi)）的位移之比為xⅠ∶xⅡ∶xⅢ：……xn=1∶3∶5∶……∶（2n-1）。

● 反思

高一學(xué)生雖然有一定的計算機(jī)基礎(chǔ)，但是對算法、編程還比較陌生，在教師的引導(dǎo)下，在學(xué)生對超聲波有了一定的了解后，課堂氣氛熱烈，學(xué)生操作積極性提高。另外，通過小組長帶動組員模式，學(xué)生展示，小組互評，讓學(xué)習(xí)變得更有溫度。