基于Arduino设计的测量物体平均速度实验装置

摘要

基于Arduino设计的测量物体运动平均速度创新实验装置用于自动精确测量物体运动平均速度的时间，教材上的实验利用秒表测量时间，改进后的实验用Arduino编程实现单片机控制红外光电传感器测量时间，使测量时间数据的精度达到0.01 s，让实验结果更加接近真实值。该装置可根据需要调节s₁、s₂的距离，实现不同距离时间数据的采集，同时增设斜面坡度调节设备，提高了装置的实用性和拓展性。

Graphical abstract

关键词

物体运动 / 平均速度 / Arduino / 测量时间 / 创新实验装置

关于测量运动物体的平均速度，教材中的实验是构造一个斜面，用小车作为运动物体，用弹片实现小车运动的不同距离，用停表来计时，完成物体运动平均速度的测量。在实验中发现，当小车从斜面开始运动时，用人工按停表计时，人的反应本身就需要一定的时间，并且随着人注意力集中程度的改变，按秒表时可能会提前或推后，这造成实验采集的时间数据误差非常大，甚至会产生错误。为此，笔者设计了基于Arduino的测量物体运动平均速度的创新实验装置。

1 设计思路

笔者在设计开发前，对该装置的研究价值进行了论证，在网上查阅了大量资料，发现罗秀芝《利用相关原理测量物体运动速度》一文虽然提到了传感器，但是该文献主要应用于工程领域，无法应用于中小学实验教学^［1］；李传亮《测量物体速度和加速度实验的新方法》一文通过光电门控制秒表计时的实现原理较为复杂^［2］。因此，设计一个实现原理简单、物美价廉、适用于中学物理教学的测量物体运动的平均速度实验装置非常有意义。

该创新装置设计思路是制作一个角度约为30°的斜面，在斜面的顶部、中部、底部分别安装红外光电传感器，用球体从斜面的上方滚下，触发传感器计时，再用软尺测量出球体经过的路程，根据v=s/t即可求出球体运动的平均速度。创新装置设计如图1所示。

2 材料组成和科学原理

2.1 材料组成

红外光电传感器3只，Arduino开发板、液晶屏、滑道、复位按钮各一，木板、导线若干。

2.2 科学原理

（1） 红外光电传感器原理。

红外光电传感器主要是由红外线发射二极管、接收管、光敏三极管和指示二极管组成。红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，模块输出为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检出物体出现在检测范围内时，红外线平衡线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮。

（2） 装置原理。

该装置原理主要是通过Arduino编程来实现开发板控制传感器测量物体经过传感器的时间。本实验装置的研究是以乒乓球作为运动物体。

将乒乓球置于顶端传感器的正上方，红外光电传感器的接收管一直接收到红外线，当乒乓球开始运动离开原位置后，接收管没有接收到信号，开始计时；当乒乓球经过中间传感器时，中间传感器的接收管接收到信号，开发板接收到信号后，将信号以数值的形式显示在液晶屏上，就得到了物体经过顶端传感器和中间传感器这段距离s₁的时间t₁，当乒乓球离开中间传感器时，开始记录下一段路程的时间；当乒乓球经过底端传感器时，底端传感器的接收管接收到信号，开发板接收到信号后，将信号以数值的形式显示在液晶屏上，就得到了物体经过中间传感器和底端传感器这段距离s₂的时间t₂。

测量出相邻两个红外光电传感器的距离，根据速度等于路程除以时间的关系（v=s/t），即可求出平均速度。

3 创新装置的开发

3.1 程序编写

用杜邦线将红外光电传感器、液晶屏、重置按钮连接起来，在Arduino IDE开发环境中编写程序，并上传至Arduino UNO开发板。

3.2 器材安装

（1） 用0.3 cm厚的木板制作一个长为100.0 cm、宽为4.5 cm、高为25.0 cm，坡度是30°左右的斜面盒子，将开发板和杜邦线集成安装在盒子内。在盒子的正面开一个2 cm×2 cm的小孔，将外部电源线连接开发板，液晶屏和重置按钮安装在木盒正面。

（2） 用塑料阳角线条制作一个滑道，将滑道的两端切成三角形口，将3只红外光电传感器分别安装在滑道的顶端、中间、底端。在滑道中间开一个30.0 cm×0.8 cm的小孔，安装可调节位置的红外光电传感器（用于调节分段距离的值s₁、s₂，实现不同距离的时间数据采集），在滑道上安装一条软刻度尺（用于测量物体运动的距离）。

（3） 在斜面盒子内底面安装一个斜面坡度调节器，用于调节斜面坡度。至此安装完成。

（4） 功能调试。创新实验装置安装结束后进行反复调试，直到功能正常。

4 创新装置的使用方法和教学用途

4.1 使用方法

（1） 接通电源，将乒乓球置于实验装置顶端传感器的位置，松手后，触发传感器开始计时。

（2） 乒乓球沿斜面下滑，经过中间传感器时，得到乒乓球经过顶端传感器和中间传感器这段距离s₁的时间t₁，记录实验数据。

（3） 乒乓球在经过底端传感器时，得到乒乓球经过中间传感器和底端传感器这段距离s₂的时间t₂，记录实验数据。

（4） 测量出相邻两个传感器的距离，并记录实验数据。

（5） 根据记录的分段距离（s₁、s₂）和分段时间（t₁、t₂），再根据v=s/t的关系，就可以计算出物体运动的平均速度。

4.2 教学用途

该装置主要用于人教版八年级物理上册第一章“机械运动”第4节“测量物体运动的平均速度”实验教学，通过触发传感器计时代替原实验的人工按秒表计时，采集到的时间更精准（精度达到0.01 s），让实验结果更接近真实值，达到理想状态。

5 装置创新点

一是通过触发传感器计时，实现了自动精确测量时间，使实验数据结果更加接近真实值；二是中间传感器设计为可滑动的，主要用于调节分段距离的值，实现不同距离的时间数据采集；三是增设斜面坡度调节装置，可以调节斜面角度，用于探究斜面坡度对速度的影响，提升创新装置的综合拓展性；四是实用性强，不仅可用于测量物体运动的平均速度和加速度，还可拓展应用于探究外力因素对物体运动速度影响的实验。

6 结语

该项目的设计、开发及应用充分体现了信息技术学科与物理学科的深度融合，并呈现其融合的优越性。实验装置将触发传感器计时替代人工计时，降低了实验数据的误差，使计时不受人的反应时间的影响，计时精度达到0.01 s以上，实验数据更加接近真实值，达到更好的实验效果。

参考文献

[1] 罗秀芝.利用相关原理测量物体运动速度［J］.实验技术与管理，1999，16（06）：53-54.

[2] 李传亮.测量物体速度和加速度实验的新方法［J］.湖南中学物理，2013（07）：49，48.

基金资助

2024年毕节市教育科学规划一般课题“学科融合背景下的实验教学‘成果化’实践研究”(2024B057)

2025年毕节市教育科学规划重点课题“数智赋能‘教研赛创’四维联动跨学科实验教学体系构建研究”(2025A026)