超聲波運動傳感器的創新應用

林偉君

超聲波運動傳感器的創新應用

林偉君

簡述了超聲波傳感器、傳感系統的數據采集、計算的基本原理和系統特性；與打點計時器和數字計時器兩種傳統運動學儀器進行比較，說明系統具有采樣率高，采集信息豐富，圖形結果顯示直觀、便捷等優點；列舉若干個用該系統設計完成的傳統運動學實驗改進以及創新運動學實驗。

超聲波傳感器；運動傳感器；運動學實驗；DIS實驗；創新物理實驗

機械運動是物理世界普遍的運動形式，對于機械運動參量的測量是運動學教學與實驗里面的重要內容。特別是在高中物理教學中，通過對位移、速度等物理量的測量，能夠提高學生對運動學定律內在物理意義的了解。隨著新課程改革的不斷深入，運動學實驗的形式也發生了一些變化，更多地引入了數字化實驗。本文就運動學數字化實驗中的核心器件——超聲波運動傳感器的應用方法及應用案例進行介紹和探討。

一、超聲波運動傳感系統的優點

1.超聲波傳感系統原理及傳感器信息處理方法

超聲波運動傳感系統的核心是超聲波傳感器，目前按收發結構可分為對射式和反射式兩種。系統中以信號調理、計算等電路為輔助，利用時差法測量傳感器與物體之間距離，即通過超聲波發射器發射一組固定頻率信號，通過記錄發射頻率時刻t1和接收器接收到信號的時刻t2，并計算時間間隔Δt，以確定物體與傳感器間的距離［1］。

對于對射式系統，系統框圖如圖1所示。

圖1　對射式超聲傳感器系統原理框圖

運動物體（包含發射器）與接收器的位置L：

對于反射式系統，系統框圖如圖2所示。

圖2　對射式超聲傳感器系統原理框圖

運動物體（障礙物）與收發器的位置L：

通過儀器的校正，傳感器系統對L的測量絕對誤差可達5 mm以內。

2.超聲波傳感系統與傳統運動學儀器的比較

（1）超聲波傳感系統與打點計時器的比較

打點計時器是高中運動學實驗重要的儀器之一，其原理是通過電火花或電磁在紙帶上打點，記錄不同時刻物體的位置信息。首先，打點計時器所記位置信息并不包含時間順序，若紙帶做往返運動，則不能區分記錄點先后順序，使紙帶失去意義，所以打點計時器只能在單向直線的運動學實驗中使用。其次，打點計時器所記物體位置，需通過人工測量計算轉化成位移、速度、加速度等信息，計算煩瑣，計算量大。

而超聲波傳感系統則同時記錄位移，時間信息并有強大計算功能，彌補了打點計時器的缺點，在機械振動，簡諧運動、碰撞等雙向運動學實驗中也能應用，并能直觀顯示圖像結果，便于學生探究實驗的過程和內涵。

（2）超聲波傳感器與數字計時器的比較

數字計時器是通過光電門記錄物體先后通過兩個特定位置的時間的儀器，需要配合擋光片使用。通過測量擋光片長度，并與所測時間相比，得出這段距離內物體的平均速度。擋光片尺度限制，物體速度的不規則變化等因素都會使測量計算結果產生很大系統誤差，從而限制了儀器只能在低速，速度均勻變化的場合使用。

而超聲波傳感系統則由于結構和計算方法上的優勢，并具有高采樣率的特點（可以達到幾百到一千赫茲），彌補了數字計時器的不足，能實時采集實驗過程中瞬時的位移、速度、加速度等信息，對于變速的運動學實驗尤為有利。

二、超聲波傳感系統在教學中的應用

從上文分析中可知，超聲波傳感系統由于可以實時采集計算運動物體的位置、瞬時速度甚至是加速度的信息并顯示，配以氣墊導軌、斜面小車、彈簧等簡單力學器材，就幾乎能完成所有運動學實驗，并能以直觀的圖線方式予以定量分析。因此，我們在設計實驗時，只需要將超聲波傳感器系統看作是位置、速度、時間記錄器，將傳感器組裝到實驗裝置合適的位置上，經過調試后即能完成實驗。以下介紹筆者搜集以及設計的應用超聲波傳感器的實驗案例。

1.探究勻變速直線運動、牛頓定律、動能定理、機械能守恒

（1）落球法

裝置如圖3a所示，超聲波傳感器與數據采集器連接后放置于籃球的上端，與其運動軌跡共線。籃球只在重力作用下做自由落體運動［3］，重力做功、重力勢能轉換成動能、機械能守恒。只需在軟件中設置物理量公式，即可得到速度、動能、勢能、機械能等曲線。通過對圖3b速度vs時間圖像進行線性擬合即可得到加速度g，擬合重力加速度得9.78 m/s2。另外，通過觀察圖4a和圖4d可知，自由落體過程中重力勢能減少，動能增加且大小等于重力做功，兩者之和不變。

在上述例子中，要把看得見的物理現象與看不見的物理過程聯系起來，通過枯燥的公式論證、推理，往往很難令學生對需要掌握的知識點理解透徹，而使用超聲波傳感器，把相關的內容通過圖表形式呈現出來，有圖、有數據、有對比，那“真相”就清晰多了。任課教師可以由得出的圖表等，引導學生結合公式去理解、消化物理定律、物理過程，鍛煉數據分析能力，課堂的效果以及授課效率就出來了。

圖3　

圖4　

（2）阿德伍德機

根據裝置原理，若左右兩砝碼A，B質量相等，平衡摩擦力后系統可保持靜止或勻速狀態；當其中一個砝碼增加微小質量mC，系統將做加速運動。可以證明：Fc=mcg=（mA+mB+mC）a。如圖5a裝置所示：超聲波傳感器動態采集其中一個砝碼的位移、速度信息。先令系統做勻速運動，在某個時刻通過小磁塊改變其中一個砝碼重量，使系統進入勻變速運動狀態。通過觀察速度vs時間圖像（如圖5b所示），可以深刻認識牛頓第一、第二定律的條件、適用范圍及其聯系。

圖5　

（3）氣墊導軌實驗

裝置如圖6所示，滑塊在小鉤碼作用下以恒定加速度運動，或將氣墊導軌一端墊高1～2cm，利用重力加速度沿斜面分量使滑塊作勻加速運動。實驗圖像與數據和落球法類似。

圖6　氣墊導軌探究勻變速直線運動、動能定理、機械能守恒實驗裝置

2.探究碰撞定律

（1）氣墊導軌探究動量守恒（彈性碰撞、完全非彈性碰撞）

裝置如圖7所示，導軌兩端分別放置兩個傳感器，分別測量兩滑塊m1，m2，在軟件設置兩滑塊分動量和系統總動量，然后讓滑塊在導軌上分別作彈性碰撞和完全非彈性碰撞。從圖中可看出在彈性碰撞中兩個滑塊交換動量，在完全非彈性碰撞后兩滑塊以相同速度運動，但在碰撞前后系統總動量保持恒定。

圖7　氣墊導軌探究動量守恒實驗裝置

圖8　

（2）落球法探究非彈性碰撞中動能的損失

裝置與“落球法”相同。觀察球與地面多次的位移圖線可看到籃球反彈最高高度不斷降低，說明碰撞非彈性，有能量損失。通過用不同球與地面碰撞碰撞，可觀察到不同位移變化圖線。但是從速度vs時間圖線可以看出，無論使用何種球實驗，加速度的大小都是恒定的（速度圖線的斜率相互平行），從而證明在忽略空氣阻力情況下，自由落體的加速度與物體的質量、形狀無關［4］。

圖9　

碰撞往往是一瞬間的過程，傳統實驗裝置很難捕捉這稍瞬即逝間的所有內容，即使配上數字計時器，也只是一些沒有實質意義的數字，需要任課教師配上豐富的“佐料”，方能把這個問題講清楚。而超聲波傳感器可以把這個瞬間過程記錄下來，以輸出圖表的形式將其放大，再配以數據描述，把過程的每個細節點都一一呈現，這樣不僅任課教師教得得心應手，學生對知識點的掌握也易如反掌。

3.探究機械振動

（1）簡諧振動與胡克定律

對水平方向簡諧運動可用氣墊導軌探究裝置探究，如圖10a所示。將滑塊與氣墊導軌兩端用兩個彈簧連接，滑塊可在氣墊導軌上作簡諧振動。再將其中一端鋼絲彈簧與力傳感器相連，測量回復力的變化，另一端放置超聲傳感器測量位移速度。另外還可用懸掛在彈簧上的鉤碼探究豎直方向上的簡諧振動，如圖10b所示。兩套裝置測量出的位移、回復力均為如圖所示的正弦函數，而且相位相差180度。證明胡克定律中彈簧變化量與彈簧彈力方向相反。

圖10　

（2）探究米尺長度和振動頻率關系

裝置如圖11a所示，固定一定長度直尺，測量直尺端點周期性振動位移，通過改變直尺長度，探究長度對系統振動周期的關系。

圖11　

振動比起碰撞其物理過程相對簡單，而且具有單一重復性，但其中一些物理規律可能會跟學生的固有認識有出入。采用超聲波傳感器對振動現象進行研究，可以通過圖表數據，讓學生認識到振動現象的本質，理解當中各物理量之間的內在聯系，掌握好振動真正的規律。

三、結束語

超聲波傳感系統是一種利用現代傳感器和計算機技術手段，對時間、位置、速度、加速度等信息進行采集計算并顯示的現代化實驗系統。與打點計時器和數字計時器相比，它具有綜合測量實驗過程任意位置的各種運動參量信息的能力，可以完成很多傳統儀器無法完成的實驗，簡化數據處理的過程，從而一個創設直觀的物理實驗情景讓學生專注與探究實驗過程中的內涵與物理規律。對于培養學生的綜合觀察、探究、分析、實驗能力有很好的教育效果。推廣這一類現代化實驗系統裝置，對推動新課程改革，實現新課程三維教學目標有著積極的意義。

［1］ 袁易立.近代超聲原理與應用［M］.南京：南京大學出版社，2015.

［2］ 馮天祥.數值計算方法［M］.成都：四川科學技術出版社，2003.

［3］ Acceleration Due to Gravity， PASCO online experiment student verson［EB/OL］. https：// www.pasco.com/prodCatalog/EX/EX-5512_ conservation-of-energy-ii-experiment/index.cfm.

［4］ Dropping ball， PASCO online experiment student verson， ［EB/OL］. https：//www.pasco. com/prodCatalog/EX/EX-5512_conservation-ofenergy-ii-experiment/index.cfm.

作者信息

林偉君，本科，實驗師。廣州市第六中學，510300