摘要：對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)中的速度測量方法進(jìn)行改進(jìn)，利用安裝在小車上的無線光電門來測量小車運(yùn)動(dòng)過程中的速度，即滿足了精度的要求，又可以研究物體的運(yùn)動(dòng)過程。無線光電門和數(shù)據(jù)接收器間采用藍(lán)牙無線傳輸?shù)姆绞�，電腦端的軟件使用Flash來制作。用Flash動(dòng)畫作為DIS實(shí)驗(yàn)的軟件界面，開創(chuàng)了虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)。
運(yùn)動(dòng)學(xué)是高中物理中的重要部分，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的研究也是高中物理實(shí)驗(yàn)中的重要部分。在傳統(tǒng)的教學(xué)工具下，使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或者光電門來研究物體的運(yùn)動(dòng)；在DISLab出現(xiàn)后，可以使用超聲波測距儀來研究物體的運(yùn)動(dòng)。但是，上述方法中的任何一種，都存在著缺點(diǎn)。
一、原有運(yùn)動(dòng)測量工具的缺點(diǎn)
1、 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速的缺點(diǎn)。
2、 光電門測速的缺點(diǎn)。
3、 超聲波測距儀測速的缺點(diǎn)。
高中物理DISLab中的超聲波測速是基于超聲波測距的，一般的超聲波測距分為兩種，反射式和對(duì)射式。
反射式超聲波測距的原理是通過測量超聲波脈沖從發(fā)出到反射回來的時(shí)間差來計(jì)算前方物體的距離。對(duì)射式超聲波測距還需要借助紅外線，在發(fā)射端同時(shí)發(fā)射一超聲波和紅外線脈沖，然后在接收端測量接收到紅外線脈沖和超聲波脈沖的時(shí)間差，從而計(jì)算出發(fā)射端和接收端的距離。
由于物體對(duì)超聲波反射時(shí)會(huì)受到物體表面的影響，所以對(duì)射式超聲波測距要優(yōu)于反射式。超聲波測距，其測量精度會(huì)受到超聲波頻率以及當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度和濕度的影響，如果不考慮環(huán)境變化，以100K
雖然超聲波測距的精度可能可以滿足測距要求，但是如果利用超聲波測距儀的數(shù)據(jù)來計(jì)算物體的速度，誤差將會(huì)更大。以每秒采樣50次為例，每次測距間隔為20毫秒，每次距離誤差有3毫米，由此計(jì)算得到的速度的誤差大約為0.15米每秒，在高中物理實(shí)驗(yàn)中物體的速度一般在3米每秒以內(nèi)，這樣超聲波測距儀測速的誤差將會(huì)達(dá)到5%左右，如果物體速度更慢，其誤差更大。
二、新的測速方法
從對(duì)原有測速方法的分析中可以看到，光電門測速是精度最高的，但卻無法測量多個(gè)時(shí)刻的速度；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和超聲波測速雖然能夠測量多個(gè)時(shí)刻的速度，但是精度不高。如能對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程用光電門進(jìn)行多次測速，便可解決這個(gè)問題。但如果仍舊將擋光片安裝在軌道車上，將光電門放置在軌道上，會(huì)導(dǎo)致需要的光電門過多，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。但是如果將光電門放置在軌道車上，而將多個(gè)相同寬度的擋光片放置在軌道上，就可以利用光電門完成多次測速了�，F(xiàn)有光電門必須有線連接到數(shù)據(jù)采集器，無法使用。所以必須對(duì)現(xiàn)有光電門進(jìn)行改進(jìn)，讓其與數(shù)據(jù)采集器間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，就可以使用了。
三、無線速度傳感器設(shè)計(jì)與制作
由上可見，新的測速方法必須依賴于無線光電門，以下為具體的無線速度傳感器的設(shè)計(jì)，共包含了4個(gè)部分：無線光電門端、擋光片、數(shù)據(jù)接收端和電腦端軟件。
1、無線光電門端
這里使用Arduino（一種單片機(jī)）來作為無線光電門端的處理器，由它來采集來自光電門的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙從機(jī)模塊發(fā)射出去。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖：
具體的實(shí)物連接圖如圖（開發(fā)階段，還未進(jìn)行電路板制作，只要連接電源即可獨(dú)立工作）：
對(duì)Arduino進(jìn)行編程，讓它完成對(duì)來自光電門的信號(hào)進(jìn)行處理（Arduino可以得到精確到微秒的擋光時(shí)間），同時(shí)將擋光時(shí)間和擋光中點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間經(jīng)過藍(lán)牙模塊發(fā)射出去，具體的程序這里不再提供。
2、擋光片部分
由于需要在軌道上放置多個(gè)相同寬度的擋光片，這里使用了盒式磁帶條來制作。由于磁帶條的寬度幾乎相等，所以可以將磁帶條等間距（其實(shí)不等間距也沒關(guān)系）的貼在透明有機(jī)玻璃上來制作，最后的實(shí)物如圖：
3、數(shù)據(jù)接收端
4、電腦端軟件
由于不管是Arduino通過Usb連接電腦還是直接利用藍(lán)牙連接電腦，都采用了串口數(shù)據(jù)傳輸，所以可以使用一個(gè)叫Serproxy的串口代理程序?qū)碜源诘臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Flash動(dòng)畫可以讀取的數(shù)據(jù)。最后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和繪圖都由Flash動(dòng)畫來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以讓數(shù)據(jù)來控制Flash動(dòng)畫界面上的某些元素，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模擬的DIS實(shí)驗(yàn)，并且當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以讓已經(jīng)記錄下來的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫上的元素，實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)的回放或者慢放，來增加演示實(shí)驗(yàn)的可視性。最終完成的軟件界面如圖（開發(fā)界面，還未添加動(dòng)畫元素，只實(shí)現(xiàn)了圖像繪制和數(shù)據(jù)記錄功能）：
四、利用無線速度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
下面利用這個(gè)無線速度傳感器來進(jìn)行一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)——研究小車在斜面上的運(yùn)動(dòng)情況。具體的實(shí)驗(yàn)裝置如下圖：
將帶有無線光電門傳感器的小車從斜面的某處開始釋放，當(dāng)小車經(jīng)過擋光片區(qū)域時(shí)電腦端的Flash動(dòng)畫中會(huì)顯示并記錄所測得的速度（在軟件中進(jìn)行了計(jì)算，所以直接顯示了速度值）和對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，并描繪速度—時(shí)間圖像。由于擋光片前端和末端有邊緣，所以數(shù)據(jù)的前面和后面幾個(gè)不可用。將數(shù)據(jù)記錄表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，拷貝到WPS電子表格中進(jìn)行處理。
對(duì)圖像中的點(diǎn)進(jìn)行線性擬合后可得物體運(yùn)動(dòng)的加速度。
四、 無線DIS實(shí)驗(yàn)展望