基于樂博士EV3機(jī)器人測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

周穎怡，楊曉琳

(嶺南師范學(xué)院，廣東 湛江 524048)

0 引言

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用實(shí)驗(yàn)器材測量物體的瞬時(shí)速度是一項(xiàng)重要的物理實(shí)驗(yàn)，通常測量的是物體的平均速度，但難以具體描述物體移動(dòng)瞬間的變化情況，可以通過測量瞬時(shí)速度了解物體瞬時(shí)的變化情況。筆者在對(duì)測量物體運(yùn)動(dòng)速度的瞬時(shí)實(shí)驗(yàn)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)繁多。因此，嘗試?yán)脴凡┦縀V3機(jī)器人測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率，以探究實(shí)驗(yàn)過程的可行性；并對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，分析使用樂博士EV3機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的研究現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度可以作以下理解，根據(jù)公式理解，物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)的間隔△t截取得越來越小時(shí)，該單位時(shí)間范圍內(nèi)的瞬時(shí)平均直線速度會(huì)越來越趨向某一個(gè)固定數(shù)值，當(dāng)△t越趨向于0，原來的勻變速直線運(yùn)動(dòng)可看作是勻速直線運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來分析，因此該時(shí)間段的速度也被看作是物體在該點(diǎn)的瞬時(shí)速度。通常把瞬時(shí)速度看作是靜止物體在連續(xù)運(yùn)動(dòng)后達(dá)到某一點(diǎn)(位置)的速度，瞬時(shí)速度的大小可稱作瞬時(shí)速率[1]。勻速運(yùn)動(dòng)或直線加速運(yùn)動(dòng)通常作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。從物理含義上看，瞬時(shí)速度指某一時(shí)刻附近極短時(shí)間內(nèi)的平均速度。瞬時(shí)速率沒有方向，只有大小之分，是物理學(xué)中的標(biāo)量概念。

國內(nèi)外物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)室測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的方法主要有3種：方法一，使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測量物體瞬時(shí)速度；方法二，使用光電門和氣墊導(dǎo)軌測量物體瞬時(shí)速度；方法三，使用阿托武德機(jī)測量瞬時(shí)速度[2]。

近幾年，不少學(xué)者嘗試對(duì)該系列實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)[3]。在此，筆者基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)測量瞬時(shí)速度的方法，探究應(yīng)用樂博士EV3進(jìn)行該物理實(shí)驗(yàn)的可行性。

2 樂博士EV3機(jī)器人

樂博士EV3機(jī)器人是第三代MINDSTORMS機(jī)器人，配有EV3智能主機(jī)、各類傳感器、電動(dòng)馬達(dá)、積木零件(齒輪、輪軸、橫梁、插銷)等。使用者可根據(jù)個(gè)人需求利用EV3機(jī)器人，搭建不同的機(jī)器人，通過編寫程序使機(jī)器人按指令執(zhí)行任務(wù)[4]。與其配套使用的軟件為EST，是一款以圖形方式編寫的教學(xué)機(jī)器人程序[5]，使用者可以從程式設(shè)計(jì)工具條中選取一種特殊的模組，將模組拖至程式設(shè)計(jì)模組的程式設(shè)計(jì)區(qū)。程序設(shè)計(jì)中有序列和數(shù)據(jù)傳送的關(guān)系，序列關(guān)系限制了模塊的功能執(zhí)行次序，數(shù)據(jù)的傳遞關(guān)系則限制了程序邏輯中的數(shù)據(jù)流向，而編程區(qū)可以表達(dá)兩者之間的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

樂博士EV3套件有配套的軟、硬件及眾多傳感器，可以借此進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證或改進(jìn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)，了解實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中的作用[6]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或光電門氣墊導(dǎo)軌測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率。為探究EV3能否優(yōu)化傳統(tǒng)物理測量實(shí)驗(yàn)，改善傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的不足，進(jìn)行同時(shí)雙軌制實(shí)驗(yàn)，一邊利用量尺測量小車長度并用秒表測量小車通過時(shí)間，一邊利用樂博士EV3機(jī)器人開展以下實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到驗(yàn)證利用樂博士EV3機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪脴凡┦縀V3機(jī)器人測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率，探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分析EV3機(jī)器人在物理實(shí)驗(yàn)中的可行性。

實(shí)驗(yàn)器材：樂博士EV3機(jī)器人套件和計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)裝置：測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 EV3測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過程：

(1)用量尺測量小車車身長度。

(2)依次先后打開樂博士EV3測速儀程序塊(見圖1右側(cè)裝置)及小車程序塊(見圖1左側(cè)裝置)，開啟測速儀程序。

(3)打開樂博士EV3，開啟小車直行程序。

(4)測速儀檢測到小車出現(xiàn)及檢測到小車離開，都會(huì)發(fā)出不同的聲音進(jìn)行通知，用秒表測量小車經(jīng)過的完整時(shí)間并記錄下來；程序塊內(nèi)通過預(yù)先設(shè)定的程序計(jì)算小車的瞬時(shí)速率并顯示在測速儀程序塊屏幕上，及時(shí)記錄數(shù)據(jù)。

(5)重復(fù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，取平均值。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體設(shè)計(jì)

樂博士EV3小車由EV3程序塊、大型電機(jī)、光滑角梁、插銷、輪軸、小車輪轂、小車輪胎等拼裝而成。

樂博士EV3測速儀主要由超聲波傳感器和EV3程序塊組成，超聲波傳感器輔助測距和識(shí)別障礙[7]。

將超聲波傳感器固定在基板上，并達(dá)到一定高度，EV3程序塊固定在基板中；利用連接線將超聲波傳感器與EV3程序塊連接。

軟件方面，利用EST軟件對(duì)EV3機(jī)器人模塊進(jìn)行編程、調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)EV3機(jī)器人測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的實(shí)驗(yàn)。

小車程序(如圖2所示)：當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行，小車以功率10 W和50 W直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)為3 s，目的是令小車整個(gè)車身順利通過測速儀。

圖2 小車運(yùn)行程序

測速儀程序(如圖3所示)：程序啟動(dòng)時(shí)清除屏幕顯示的內(nèi)容，方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)顯示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，測速儀發(fā)出聲音，提醒實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)已開始，測速儀開始記錄時(shí)間，當(dāng)小車整體車身通過超聲波傳感器時(shí)，測速儀再一次發(fā)出聲音，提醒實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)結(jié)束，停止記錄時(shí)間。程序后續(xù)部分，是利用數(shù)學(xué)公式將測速儀記錄小車通過超聲波傳感器的時(shí)間作為除數(shù)，車身長度為被除數(shù)，用公式計(jì)算得出小車通過測速儀的瞬時(shí)速率，并將速率顯示在測速儀顯示屏上，方便實(shí)驗(yàn)者讀數(shù)并記錄。

圖3 測速儀運(yùn)行程序

通過樂博士EV3機(jī)器人的設(shè)計(jì)與編程，實(shí)現(xiàn)了樂博士EV3機(jī)器人測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率的實(shí)驗(yàn)，測量過程可顯示小車車身通過超聲波傳感器的時(shí)間，并通過車身除以超聲波傳感器記錄的時(shí)間，得出小車運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速率。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

如表1、表2所示，對(duì)比兩組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，EV3機(jī)器人測量的數(shù)據(jù)與物理學(xué)測量的數(shù)據(jù)誤差較小，誤差在0.1以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。

表1 實(shí)驗(yàn)一：測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(功率10 W，小車車身14 cm)

表2 實(shí)驗(yàn)二：測量物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(功率50 W，小車車身14 cm)

實(shí)驗(yàn)中，小車啟動(dòng)時(shí)的擺放角度、超聲波傳感器的靈敏度以及小車的動(dòng)力情況都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從而造成實(shí)驗(yàn)誤差。小車啟動(dòng)時(shí)擺放的角度會(huì)影響小車前行的路線，當(dāng)小車行駛的路線出現(xiàn)偏差時(shí)，超聲波傳感器測量的距離會(huì)小于小車的車身長度14 cm，從而導(dǎo)致超聲波傳感器測量的時(shí)間有誤差。

6 結(jié)語

本文討論的測速儀拼裝簡單有效，方便自行設(shè)計(jì)與拼裝，實(shí)驗(yàn)得以有效簡化。測速儀的軟件程序容易理解，通過簡單的講解可以有效理解程序的具體含義，并進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。

利用樂博士EV3及超聲波傳感器進(jìn)行物體運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速率測量，是測量物體運(yùn)動(dòng)速度的新實(shí)驗(yàn)方法，豐富了測量物體運(yùn)動(dòng)速率實(shí)驗(yàn)的形式。本次實(shí)驗(yàn)也是教育機(jī)器人應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新方法，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提供了思路。