#首届“掌控板”教学应用设计大赛#掌控板课程设计大赛-单摆实验平台

课程名称：单摆实验平台

教师姓名：【魅客科创中心】张雪莹

年级：四年级及以上的学生。

课时安排：2课时，每课时45分钟。

一、学生分析：

小学四年级的学生在科学课上已经学习什么是摆，接触了怎么测量单摆周期等的相关知识，掌握了简单的测量单摆周期的方法，但是人工测量容易出现误差，所以我们考虑能否通过精密的传感器来进行测量，以此减少误差呢？由此，我们利用掌控板和红外对管模块制作了一个可以测量并显示单摆周期的单摆实验平台。

二、教学目标：

•  知识与技能

1. 掌握单摆周期的测量方法；

2. 学会红外对管模块的原理和使用方式；

3. 学习掌控板中系统时间的使用；

4. 学习掌控板上按键和OLED的使用和编程方式；

5. 学习编程语句重复满足条件执行与如果执行的区别和使用方式；

6. 利用LaserMaker软件设计实验平台的结构。

•  过程与方法

1. 通过让学生观察单摆周期测量方法的实验，思考如何有效减少误差的解决办法；

2. 使用串口监视器，让学生观察红外对管模块返回值的特点；

3. 项目设计中实现多学科交叉融合。

 情感态度与价值观

1. 培养学生发现问题、解决问题的能力；

2. 培养学生自主探究学习能力、动手实践能力。

三、重难点：

•  教学重点

1. 红外对管模块的接线与使用方法；

2. 使用激光切割软件设计固定装置；

3. 掌握如果执行和重复满足条件执行两个语句的区别和编程逻辑；

4. 利用单摆实验平台完成单摆周期测量。

•  教学难点

1. 学习不同数据类型的使用方式；

2. 学习系统时间的计时原理；

四、课前准备：

•  硬件

掌控板、拓展板、红外对管模块、数据线、杜邦线、木板、单摆实验器。

•  软件

Mixly：https://ruilongmaker.cc/download/Mixly_WIN.7z

LaserMaker：http://www.thunderlaser.cn/upload/download/LaserMaker.zip

五、教学过程：

• 1. 时间管理

本课程共分为两个课时，每课时45分钟。第一节课：项目引入、红外对管模块的使用方法、红外对管固定装置的结构设计与制作。第二节课：固定装置的组装、使用掌控板实现周期测量与计算、完成单摆实验平台。

• 2. 课程导入

(1) 摆钟

在生活中或是电视里大家有没有见过摆钟呢？有没有观察过摆钟每一次摆动的周期是一致的还是变化的呢？今天我们来学习摆的周期测量方法。

(2) 摆的等时性

摆的等时性原理是指不论摆动幅度（摆角小于5°时）大些还是小些，完成一次摆动的时间是相同的。人们公认伽利略发现了该原理，他在比萨的教堂中观察吊灯摆动现象时引发的结论。按照等时性原理，如果摆的振幅较小，那么摆动的周期同摆动的振幅无关。尽管在伽利略之前的好几个世纪中，等时性早已为阿拉伯人所熟知，但以严谨的科学态度去研究这一现象的科学家还是首推伽利略。他指出摆的周期并不取决于摆线上悬挂物的多少，而只取决于摆线长度的平方根。如果不考虑阻力的影响，悬挂在等长线上的一个软木球或一个铅球的摆动规律是相同的。

(3) 什么是单摆？

单摆是一种理想的物理模型，它由理想化的摆球和摆线组成．摆线由质量不计、不可伸缩的细线提供；摆球密度较大，而且球的半径比摆线的长度小得多，这样才可以将摆球看做质点，由摆线和摆球构成单摆。

(4) 制作单摆：

取约1米长的细线，让细线的一端穿过带孔的小球，并打一个比小孔大一些的结，然后把线的另一端用铁夹固定在铁架台上，并把铁架台放在实验桌边，使铁夹伸到桌面以外，让摆球自然下垂。

(5) 单摆周期测量：

单摆在摆角很小（<5°）的时候，其摆动可以看做简谐运动，其振动周期为：

从公式中可看出，单摆周期与振幅和摆球质量无关，只与摆长l和重力加速度g有关。若单摆周期T=2s时，由公式推导，摆长大约为1m，这种情况的单摆叫做秒摆。秒摆常见于摆钟上。

(6) 单摆实验平台项目引入：

以往我们测量单摆周期时都是使用秒表测量来回摆动30个周期的总时间再求平均周期，人的反应快慢不同，很容易造成测量误差。那我们能否通过传感器精准测量周期呢？由此疑问，我们想出了解决方法：利用红外对管模块和掌控板来完成单摆周期的测量，机器更精密，可以极大减小测量误差。

3. 获取新知识

(1) 红外对管模块

利用串口监视器观察红外接收的返回值：

通过串口可以得出：接收端通光时返回值为0，遮光时为1。

(2) 数据类型

整数（int）：是数字存储的主要数据类型。int存储16位（2字节）值。这产生-32768至32767的范围（最小值为-2^15，最大值为（2^15）-1）。

无符号整数（unsigned int）：与int相同，存储2字节。然而，它们只存储正值，产生0到65535（2^16）-1的有效范围。Due存储4字节（32位）值，范围从0到4294967295（2^32-1）。

长整数（long）：是用于数字存储的扩展大小变量，存储32位（4字节），从-2147483648到2147483647。

无符号长整数（unsigned long）：是用于数字存储的扩展大小变量，并存储32位（4字节）。与标准的long不同，unsigned long不会存储负数，它们的范围为0到4294967295（2^32-1）。

(3) 如果执行与重复满足条件执行

如果执行是选择结构，用于判断给定的条件，根据判断的结果来控制程序的流程。常见的有单分支选择结构、双分支选择结构、多分支选择结构以及嵌套的分支结构，形式比较灵活多变。

重复满足条件执行是循环结构，当满足条件时，会一直执行A，直到条件不满足时，跳出循环执行下面的程序。

(4) 系统时间

此模块用于返回掌控板开始运行当前程序时的毫秒数。

4. 结构设计（LaserMaker）

设计目标：制作一个可以固定红外对管的支架，最好能够调整红外对管安装的高度。

(1) 绘制带有刻度的直尺：

用线段工具在水平方向上绘制一条直线，长度为5mm；使用矩形阵列在垂直方向上复制10条相同的直线，间距1mm；将第一条直线长度改为10mm，第六条改为8mm，并将所有直线左对齐；选中这10条直线再次使用矩形阵列在垂直方向上复制10组；使用矩形工具绘制长方形，宽为30mm，高为120mm，并与直线左对齐。

(2) 在画好的直尺下方增加螺丝槽位：

使用图库中选择“6.乐造模块”中的“螺丝槽位绘制”；调整方向和位置，在直尺下方放置两个螺丝槽位；使用工具栏中的”差集“，减去直尺上螺丝槽位的部分。

(3) 增加直尺上的螺丝孔，直径3.5mm；

(4) 4.复制直尺，利用水平反转，绘制另一面；

(5) 5.绘制底板，宽30mm，高120mm，用于固定直尺。

5. 程序实现（Mixly）

项目目标：利用红外对管记录小球连续摆动30次所用的时间，并计算出周期显示在OLED上。

(1) 初始化相关变量以及OLED（次数、初始时间、结束时间、周期），注意：由于变量中要存储单位为毫秒的系统时间值，故数据类型使用无符号长整数。

(2) 在周期测量开始之前，OLED上一直显示“单摆实验”的文字，等待开始记录周期。

(3) 当小球通过红外对管（遮光）时，次数增加1，并在OLED上显示出来。

(4) 测试发现，此时小球通过一次，次数增加却不止一次。 当小球到达最低点时，为了防止红外避障传感器对小球重复检测，需要在条件语句里嵌套一个循环语句，即检测小球直到它完全通过后才进行次数增加。

(5) 利用系统时间来计算小球摆动30个周期的总时间。注意：由于单摆刚开始摆动的时候稳定性较差，因此需要忽略前几次的实验数据，从单摆摆动的第三次开始计时和计数。

(6) 计算周期， 需要注意的是，每次传感器检测到小球经过最低点时，是经过了半个周期，因此在计算单摆周期的时候，需要将次数除以2。

(7) 测量完周期后让程序停止，并在板载按键A按下后将item清零，继续下一次周期测量。

(8) 完成程序，进行测试。

6. 教学评价

将单摆从平衡位置拉开一个角度（<5°），然后释放小球，记下单摆做30次全振动的总时间，算出平均每次全振动的时间，即为单摆的振动周期T。反复测量三次，再算出测得周期数值的平均值。观察通过公式计算出的周期与实际测量的周期一致吗？思考为什么会有误差？

7. 项目拓展：测定本地的重力加速度。

公式法：利用多次测得的单摆周期及对应摆长，借助公式

，求出加速度g，然后算出g的平均值。

注意：测量周期时间的单位为毫秒，摆长输入值的单位是厘米，重力加速度的单位是m/s²，注意单位间的转换。

六、演示视频：

七、项目文件