２６ 中小学实验与装备２０１４年第１期 第２４卷 自制・改进・创新 便携式测速仪 江苏师范大学（２２１１１６） 陈骥王晓楠拾景忠 １ 引言 便携式测速仪可以用于探究与速度有关的课 题，如速度、加速度、自由落体运动、动能、重 力势能、动能定理、机械能守恒定律、动量定理、 动量守恒定律等，作为演示实验或定量探究实验 仪器。 效率太低，且打点计时器不易携带，操作不便。要 想在课堂上演示这样的物理实验往往显得束手无 策。利用现代信息技术改造传统实验意义重大，可 Ｓ ９ ５ Ｕ 以极大地提高学生的实验探究能力。以传感器为 Ｔ Ｔ ８ 附 代表的现代信息技术使物理实验焕发生机。 一啪 一～ｍ一一 —一 ＿ Ｊ 一●一一 川 一３设计原理 针对现有教学中用于演示有关速度的实验仪 器的不足，笔者研制了一种实用、便携、用途广泛的 Ｍ ２ 背景技术 传统物理实验中涉及到速度时往往是借助于 打点计时器。通过打出纸带，分析纸带，算出速度， 然后才进行速度与其他物理量的探究。但是，要在 一测速仪。以下结合附图对便携式测速作进一步描 述，图１为单片机处理系统电路图，图２为单片机 复位电路图，图３为数码管连接电路图，图４为实 物图。 ＶＣＣ 节新授课的课堂上进行这样一系列繁琐的实验， 莓 Ｐｌ ４Ｏ Ｉ — Ｐ０ ３９ Ｐｌ ３ Ｐｌ ４ Ｐｌ ５ Ｐ１．６ Ｐｌ ７ ＰＯ ０ 厂 ＲＳＴ Ｐ３ Ｏ Ｐ３ ｌ Ｐ３ ２ Ｐ３ ３ Ｐ３ ４ Ｐ３ ５ Ｐ２ ７ Ｐ２ ６ Ｐ２ ５ Ｐ２．４ Ｐ２－３ Ｐ２ ２ Ｐ２．１ Ｐ２ ０ Ｐ２ ４ Ｐ３．６ Ｐ３ ７ Ｐ２ ３ Ｐ２ ２ Ｐ２．１ Ｐ２ ０ ３ ｐｆ ｊ 图１单片机处理系统电路图 供电系统方面使用两节９ Ｖ电池，并通过稳压 芯片（７８０５）得到电路正常工作时所需的５ Ｖ电压。 信号采集及处理方面，光电开关把发射端和接 收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到 探测的目的。由于光电开关输出回路与输入回路 是电隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。在 此，选择红外对管光电开关来进行检测。根据光敏 二极管工作原理制造的一种感应接收光强度变化 第２４卷 中小学实验与装备２０１４年第１期 ２７ 图２单片机复位电路图 ＶＣＣ ≈ ｛］ ｛】≤挂［｝ Ｒ ｌ ５Ｏ 图３数码管连接电路圈 图４实物图 的器件，当它发出的光被目标反射或阻断时，接收 器感应出相应的电信号。它包含调制光源，由光敏 元件等组成的光学系统、放大器、开关或模拟量输 出装置。当目标通过光发射器和收光器之间并阻 断光线时，传感器输出信号。 ・ 单片机处理系统电路图如图１所示，各功能部 件的运行以时钟控制信号为基准，有条不紊地工 作。以石英晶体振荡器和两个片电容组成外部振 荡源。片内的高增益反相放大器通过ＸＴＡＬ１、 ＸＴＡＬ２外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器与 电容组成的并联谐振回路构成一个自激震荡器，向 内部时钟电路提供振荡时钟。采用的晶振为１２ ＭＨｚ，电容Ｃ８、Ｃ。，为３０ ｐｆ，它们一起构成此单片 机的自激震荡器。单片机的ＲＳＴ引脚为复位（Ｒｅ— ｓｅｔ）端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持 续两个机器周期的低电平，就可以实现系统复位， 使单片机回到初始状态。本设计采用手动复位，如 图２所示，用１个电容与１个１０ ｋ电阻串联组成， 电阻接ＶＣＣ，电容接地，ＲＥＳＥＴ脚接在它们中间， 按键与电阻串联，在电容两端并联，就成了按键复 位电路。未通电时，ＲＳＴ端为高电平，只要按下这 个按键，ＲＳＴ端转换为低电平，经过两个机器周期 后，单片机就能复位。 显示系统方面采用数码管，显示时，从左到右 轮流点亮每位显示器。由于视觉的暂留，只要保证 扫描周期不超过一定的限度（一般在２０ ｍｓ以下）， 即每一时刻位选只选通１个显示位，同时段选控制 口输出显示字符对应的段选码，显示该位对应的字 符，一定时间后，再选其他显示位。如此循环， 使每个显示器件显示该位相应的字符，则可达到 “同时”显示各位不同的数字或字符的目的。如图 ３所示，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、ＤＰ分别为对应数 码管的８段，连接单片机的Ｉ／Ｏ口（Ｐ０口）。４ 位数码管的位选通过单片机Ｐ２．０～Ｐ２．４口控制。 本系统用技术程序采集信号脉冲，用定时器产生 中断，对数码管刷新和缓冲区数据进行更新，辅 以数码管进行显示。 其工作过程为：将预先设置好的两对光电开关 （间距为Ｌ）作为信号采集部件，当有物体经过第一 个光电开关时，产生脉冲信号Ｔ ，控制时钟开始计 时；物体经过第二个光电开光时，产生脉冲信号 Ｔ２。经计算程序得出速度 一Ｌ／（Ｔ２一Ｔ ）。再由 单片机把速度输出给显示系统，通过数码管显示出 来。 ４优点 在教育性方面，体现了正确的教育思想、教育 目标和教育内容；在直观性方面，数码管显示数值 清晰、直观；在参与性方面，教师可以引导学生一起 动手，学生积极参与制作，除了得到知识以外，还有 ２８ 中小学实验与装备２０１４年第１期 第２４卷 实验试题解析 利用二次函数求解初中物理极值问题 甘肃省酒泉市第一中学（７３５０００） 陈长宏 １ 前言 ＋麦）ｚ＋ ， 解决物理问题的根本工具是数学，同时物理又 若口＞０，抛物线的开口向上，则当 一一 ｂ 为数学提供了实践支柱。对于一个物理过程，通常 可以把它转化为一个数学模型，进而用数学的方法 时，函数有最小值 ＝＝： ； 求解，对物理过程的成功解释又是对数学理论的验 证与升华。在初中物理的学习中，会遇到一些求极 若ａ＜０，抛物线的开口向下，则当 一一 Ｚａ 值的问题。二次函数在物理极值问题中的应用，不 仅实现了学科间的整合，而且体现了数学的工具 时，函数有最大值 ＝：＝ 。 性。 对于二次函数的一般表达式 ２ 应用实例 —ｎ ＋ ＋ｆ（其中ｎ≠Ｏ）， 下面结合实例讨论初中物理中用二次函数求 可变形为 极信的方法 综合性的教学效果；在科学性方面，通过测出时间 （６）体积小，重量轻，方便携带，避免了拖着长 间隔，再用光电开关的间隔除以时间间隔得到速 长的尾巴到处找电源插座的现象。 度大小，符合科学原理与法则，能够满足教学过程 中的涉及速度的课题使用要求，有助于改善在教 ５ 应用 学过程中难以向学生快捷直观展现速度数值的状 该仪器可在速度、加速度、自由落体运动、动 况，有助于在课堂上开展运动力学的演示实验和 能、重力势能、动能定理、机械能守恒定律、动量定 学生分组实验等实践活动，在实用性方面，针对测 理、动量守恒定律等众多章节的课堂演示实验中 量速度这一物理量而设计，而速度在高中物理的 得到应用。现以机械能守恒定律这一节给出探究 大部分章节均有涉及，实现了与速度有关的演示 实验实例。 实验随时随地都能做起来。不仅教师进行演示实 在黑板上画出竖直坐标，规定０位置为零势 验可以用，在学生分组实验中也可以发挥巨大作 能参考面。打开便携式测速仪电源开关，并靠近 用，比传统的计时计数测速仪更为简便，限制性大 ０．４ ｍ位置；取直径大约２ ｃｍ的小球，让小球从 大降低。 ０．５ ｍ的高度开始自由下落，小球经过光电开光， 与传统的计时计数测速仪相比，便携式测速 测速仪测出小球经过０．４ ｍ位置时的速度大小。 仪具有以下优点： 同样地，测出小球从０．５ ＩＩ１位置自由下落，经过 （１）应用广泛、耐用、美观。 ０．３ ｍ、０．２ ｍ、０．１ １ＴＩ、０ ｍ位置时的速度大小。 （２）造价低廉，实用性强，性价比较高。 通过课前做好的电子表格，直接得出各个位置的 （３）一体化的设计使得它更为稳定、可靠。 重力势能、动能大小，分析数据得出规律，实现 （４）使用的是９ Ｖ的直流电源，电池供电更安 了在新授课中定量探究机械能守恒定律的预期目 全。 的。 （５）操作简便，只有两个按钮，即电源键与复 位键。无需任何调试，即开即用。 收稿日期：２Ｏ１３—１１—１９