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【自制教具开发】基于mPython平台验证伽利略斜面实验


课程名称:【自制教具开发】基于mPython平台验证伽利略斜面实验

教师姓名:康留元

年 级: 高一

课时安排:2课时,每课时40分钟。

一、教学内容分析:

《匀变速直线运动的位移与时间的关系》是人民教育出版社高中《物理》必修1第二章的内容,虽然之前学生学习了《实验:用打点计时器测速度》,但是实验操作很繁琐,存在空气阻力,或者纸带与放电针之间的摩擦力过大,或者接通电源和释放纸带的先后顺序,导致实验存在误差!学生无法得到很好的数据。我们使用掌控板和超声波传感器来进行测量,获取数据方便,便于分析。

二、学情分析:

高一下期,学生已经学习了Basic编程语言,有一定的编成基础,具备了学习本课的基础知识,学完后可以真正做到学以致用。


三、教学目标:

(一)知识与技能

1. 了解编程语句使用方式;

2. 掌握超声波传感器引脚的使用;

3. 掌握掌控板OLED的使用;

4. 利用LaserMaker软件设计创立方结构。

(二)过程与方法

1. 观察测量数据的过程,思考减少误差办法;

2. 使用串口监视器,让学生观察超声波传感器返回值的特点;

3. 项目设计中实现多学科交叉融合。

(三)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。


四、重难点:

(一)教学重点

1. 超声波传感器的接线与使用方法;

2. laserMaker创立方器材组装及传感器的固定;

(二)教学难点

1. 学习测距数据的读取和写入方法;

2. 利用Mpython数形结合功能测量匀加速运动位移与时间的关系。

五、教学环境:

(一)硬件

1.掌控板

2.掌控宝(拓展板)

3.超声波传感器、

4.数据线、IIC杜邦线、固定螺丝等

5.木板、laserMaker创立方、玩具小车。


(二)软件

1.LaserMaker

2.Mpython

(三)相关资料

1.盛思开发的掌控板课程

2.DFrobot掌控板论坛

3. 扩展板掌控宝

六、教学过程:

第一节课:40分钟。认识Mpython工作界面、超声波传感器的使用方法、创立方器材固定;

第二节课:40分钟。利用Mpython数形结合功能测量匀加速运动位移与时间的关系,验证伽利略斜面实验。

一. 课程导入


(一)老师分享伽利略斜面故事:

伽利略为了研究物体运动规律,设计出了著名的小球沿斜面运动的实验,实验如下:

用一块木料制成长约 12 库比特、宽半库比特、厚三指的板条,在它的上面划一条比一指略宽的槽, 将这个槽做得很直,打磨得很光滑,在槽上裱一层羊皮纸(也要尽可能光滑)。取一个坚硬、光滑并且很圆 的铜球,放在槽中滚动 .将这个木槽的一端抬高一到二库比特,使槽倾斜 .就像我要讲的那样把球放在槽顶 沿槽滚下, 记录下降的时间 .实验要重复几次, 以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉 搏的十分之一, 进行这样的操作, 肯定了我们的观察是可靠的以后, 将球滚下的距离改为槽长的四分之一, 测定滚下的时间, 我们发现它准确地等于前者的一半 .下一步,我们用另一些距离进行试验,把全长用的时间与全长的二分之一、三分之二、四分之三,或者其他任何分数所用的时间相比较,像这样的实验, 重复了整整一百次,结果总是经过的距离与时间的平方成比例,并且在各种不同坡度下进行实验,结果也都如此。伽利略采用脉搏来进行计时,通过测量距离来确定这个比例,今天我们利用Mpython平台测量小车在斜面上运动状态来验证时间与位移关系。

(二)学生:

听讲;理解;回忆匀加速直线运动相关知识;

设计意图:通过分享故事,吸引学生的兴趣。


二、超声波传感器原理

(一)老师:提出超声波传感器的概念;测试距离的原理及引脚连线

1.定义:超声波测距传感器是一款通过发射和接收机械波来感应物体距离的电子传感器。

2.原理:传感器发射超声波时,当遇到物体被反射回来的信号被检测,根据发送和接受到的时间差,可以计算物体运动的距离。

3.应用:超声波定位、测距、避障等。有效测距范围3~300cm

4.操作:通过I2C接口读取准确的距离数据,将测距值返回掌控板。

5.引脚:VCC接红色电源线; GND接黑色地线;ECHO连接I2C_SDA绿线(接受端);TRIG 连接I2C_SCL黄线(发送端);


连接示意图

(二)学生:听讲;理解;能够复述出概念、过程、原理。

设计意图:引导对超声波传感器有大致的了解。

三.实验平台组装


(1)laserMaker设计模型


(2).搭建创立方


(3).准备实验器材


(4).组装实验平台

四、编程测量超声波传感器数值

(一)老师:通过电子教室,通过演示法讲授知识,测试超声波数值程序分享给学生电脑桌面上。

1.认识Mpython工作界面,

界面分成上、下二部分;

上:菜单栏,下:工作区;工作区又分5个区域,分别是模块区、指令区、编程区、仿真区/探究区和交互区。


2.连接掌控板,

通过数据线连接掌控板和计算机,打开mPython0.2.2,在菜单栏切换为“图形模式”下,选择连接设备:串口com27;


3.烧录固件

在设置菜单中,烧录最新固件,选择一个固件掌控板官方固件(2020-01-16),确定;


4.编写程序:

1.模块区中扩展块中添加Bluebit,I2C超声波模块 ;添加文件模块,在数学模块:分别添加初始化图标列标题 打印数据到图标;

2.初始超声波数据,初始图标标题,显示:验证伽利略斜面实验

采集超声波传感器数据,写入文件:1.txt,在探究区图标显示,在掌控板实时显示超声波测到的数据


说明:

(1).掌控板通过I2C线与超声波传感器连接后,再刷入程序!

(2).在交互区出现:“Traceback (most recent call last): File "main.py", line 37, in <module> File "bluebit.py", line 240, in distance ”时,有可能I2C数据线质量问题 ,及时更换I2C线。

5.数据采集:


测量超声波传感器调试数值,利用Mpython串口窗口观察超声波接收的返回值:USB串口打印输出超声波返回值;

6.点线显示:


在探究区以点线图的方式显示数据,观察数据变化;

7.数据保存:



数据测量完成后,在探究区,右上角下载表格中超声波数据chart.xls;或者进入代码模式,下载掌控板中超声波数据文件1.txt。

8.数据分析:


a.超声波收集到小车运动实验数据进行分析:

(1).1s-17s,小车没有放上斜面,超声波显示340.1cm;

(2).17s-27s,检测到小车,超声波显示221.0cm;

(3).28s-38s,小车开始匀加速直线运动,超声波数值逐渐减小;


b.匀加速直线运动位移和时间实验报告:

第25个t位移:0.9

第26个t位移:3.4

第27个t位移:5.5

.....................

符合匀加速直线运动位移和时间关系:

第1个t内、第2个t内、……、第n个t内(相同时间内)的位移之比  

xⅠ:xⅡ:xⅢ……:xn=1:3:5:……:(2n-1)。  

(二)学生:

打开桌面上的素材文件夹,在mPython中,运行程序,刷入掌控板,在交互区观看超声波调试数据信息,在探究区,将超声波测到的数据下载电脑,小组相互讨论填写在学案表格中

(三)设计意图:

通过学生上机操作,实现弹性拓展内容,以实现层次教学,根据学情进行弹性选择。

五、学生展示

老师观察学生操作电脑情况,分小组讨论,学生代表电子教室分享超声波传感器测试数值信息情况,发挥学生的主题作用。

六、老师点评

老师:对优秀学生表扬,不足学生进行点评,

学生:小组互评,

设计意图:发挥老师引导学生的作用


七、总结评价

老师:1、小结今天学的内容;2、小结遇到的问题

学生:1、自己的学习状态 ;2、总结学到的知识

设计意图:把握不足之处,加以巩固

八、教学评价

对全体同学进行评价,通过本节课学习,同学明白超声波工作原理和掌握编程测量数据方法,认识Mpython工作界面以及创立方器材固定

尤其是百度组,全体组员配合默契,分工明确,效率最高,其中奇艺组李晓明同学最先操作完成,给全体学生进行了讲解很棒!!!


九、教学反思

虽然高一学生有一定的计算机基础,但是对算法、编程有一定的陌生,在老师的引导下,对超声波有了解,课堂气氛热烈,学生操作积极性很高,通过小组长带动组员模式,学生展示,小组互评,让学习变得更有温度。

mPython验证伽利略斜面实验源程序:


创立方激光切割图纸:



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