摘要：對高中物理實驗中的速度測量方法進行改進，利用安裝在小車上的無線光電門來測量小車運動過程中的速度，即滿足了精度的要求，又可以研究物體的運動過程。無線光電門和數(shù)據(jù)接收器間采用藍牙無線傳輸?shù)姆绞剑娔X端的軟件使用Flash來制作。用Flash動畫作為DIS實驗的軟件界面，開創(chuàng)了虛擬實驗和真實實驗相結(jié)合DIS實驗。
運動學(xué)是高中物理中的重要部分，對運動物體的研究也是高中物理實驗中的重要部分。在傳統(tǒng)的教學(xué)工具下，使用打點計時器或者光電門來研究物體的運動；在DISLab出現(xiàn)后，可以使用超聲波測距儀來研究物體的運動。但是，上述方法中的任何一種，都存在著缺點。
一、原有運動測量工具的缺點
1、 打點計時器測速的缺點。
2、 光電門測速的缺點。
3、 超聲波測距儀測速的缺點。
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)出到反射回來的時間差來計算前方物體的距離。對射式超聲波測距還需要借助紅外線，在發(fā)射端同時發(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間差，從而計算出發(fā)射端和接收端的距離。
由于物體對超聲波反射時會受到物體表面的影響，所以對射式超聲波測距要優(yōu)于反射式。超聲波測距，其測量精度會受到超聲波頻率以及當(dāng)時環(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)來計算物體的速度，誤差將會更大。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，由此計算得到的速度的誤差大約為0.15米每秒，在高中物理實驗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達到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，但卻無法測量多個時刻的速度；打點計時器和超聲波測速雖然能夠測量多個時刻的速度，但是精度不高。如能對一個運動過程用光電門進行多次測速，便可解決這個問題。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，會導(dǎo)致需要的光電門過多，顯然是不現(xiàn)實的。但是如果將光電門放置在軌道車上，而將多個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。現(xiàn)有光電門必須有線連接到數(shù)據(jù)采集器，無法使用。所以必須對現(xiàn)有光電門進行改進，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，共包含了4個部分：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）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，并將數(shù)據(jù)通過藍牙從機模塊發(fā)射出去。具體的結(jié)構(gòu)原理如圖：
具體的實物連接圖如圖（開發(fā)階段，還未進行電路板制作，只要連接電源即可獨立工作）：
對Arduino進行編程，讓它完成對來自光電門的信號進行處理（Arduino可以得到精確到微秒的擋光時間），同時將擋光時間和擋光中點時刻的時間經(jīng)過藍牙模塊發(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（其實不等間距也沒關(guān)系）的貼在透明有機玻璃上來制作，最后的實物如圖：
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，所以可以使用一個叫Serproxy的串口代理程序?qū)碜源诘臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Flash動畫可以讀取的數(shù)據(jù)。最后的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和繪圖都由Flash動畫來實現(xiàn)，當(dāng)然也可以讓數(shù)據(jù)來控制Flash動畫界面上的某些元素，實現(xiàn)實時模擬的DIS實驗，并且當(dāng)實驗結(jié)束后可以讓已經(jīng)記錄下來的數(shù)據(jù)來驅(qū)動動畫上的元素，實現(xiàn)模擬實驗的回放或者慢放，來增加演示實驗的可視性。最終完成的軟件界面如圖（開發(fā)界面，還未添加動畫元素，只實現(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行實驗
下面利用這個無線速度傳感器來進行一個簡單的實驗——研究小車在斜面上的運動情況。具體的實驗裝置如下圖：
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)域時電腦端的Flash動畫中會顯示并記錄所測得的速度（在軟件中進行了計算，所以直接顯示了速度值）和對應(yīng)的時刻，并描繪速度—時間圖像。由于擋光片前端和末端有邊緣，所以數(shù)據(jù)的前面和后面幾個不可用。將數(shù)據(jù)記錄表中的數(shù)據(jù)進行復(fù)制，拷貝到WPS電子表格中進行處理。
對圖像中的點進行線性擬合后可得物體運動的加速度。
四、 無線DIS實驗展望