本發(fā)明涉及能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)及其測量方法，屬于物理教具技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

研究小車運動規(guī)律是非常重要的高中基礎物理實驗，物理實驗教學是高中物理教學的重要環(huán)節(jié)之一,也是教師最常使用的教學方法之一.長期的物理教學實踐證明,理論與實驗相結(jié)合的教學方式對高中物理教學作用顯著,在促進學生對物理概念的理解和激發(fā)學生學習興趣方面必不可少。

目前使用的探索運動規(guī)律等實驗主要存在以下不足：（1）采用打點計時器或者外接的位移傳感器測試位移等信息組裝麻煩，不易操作，對小車運動本身存在額外受力。（2）實驗數(shù)據(jù)測量計算復雜，需要單獨針對實驗進行測量并計算實驗結(jié)果。（3）對于涉及到碰撞實驗等測試麻煩，不能判斷小車運行方向。（4）實驗結(jié)果不能上傳到計算機等顯示終端，不能進行數(shù)字化教學。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)，操作簡單方便、結(jié)構(gòu)合理、實驗結(jié)果直觀明了。

本發(fā)明的另一個目的在于：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)的測量方法。

為了達到以上目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明一種能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)，包括軌道和設置在軌道上的運動小車，所述運動小車內(nèi)設有MCU處理器、反射式光電傳感器、電源模塊和無線通信模塊；所述反射式光電傳感器、電源模塊和無線通信模塊均與MCU處理器相連；所述軌道上設有與運動小車車輪間距相等的兩個導向槽，所述軌道之間設有兩路相位差為90度的黑白光柵條。

進一步地，所述運動小車包括相連的車體和車蓋，所述MCU處理器、電源模塊和無線通信模塊均設置在車體和車蓋之間，所述反射式光電傳感器設置在車體的底部。

進一步地，所述MCU處理器和無線通信模塊集成在電路板上。

進一步地，所述反射式光電傳感器有兩個，分別為第一反射式光電傳感器和第二反射式光電傳感器，所述軌道之間設有兩路黑白光柵條，分別為第一路黑白光柵條和第二路黑白光柵條，所述第一反射式光電傳感器對應第一路黑白光柵條，所述第二反射式光電傳感器對應第二路黑白光柵條。

進一步地，還包括與無線通信模塊相連的帶顯示功能的終端設備。

進一步地，所述帶顯示功能的終端設備包括PC機、平板電腦、筆記本、手機、投影儀和智能手表。

能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

步驟一、小車運行方向的判定；

當小車正向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號超前B相（A相上升沿時，B相低電平，以此來判斷出小車正向行駛；當反向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號滯后B相，A相上升沿時，B相高電平，以此來判斷出小車反向行駛，MCU處理器以此來識別小車的運動方向；

步驟二、求取小車的速度；

A相和B相方波信號對應的光柵條上的長度是固定長度，假設光柵條的間隔周期為1mm的長度，MCU處理器根據(jù)A相和B相信號在固定的時間t， 1mm內(nèi)變化的次數(shù)s，就可以根據(jù)公式v=s/t求出小車的運動速度；

步驟三、求取小車的加速度；

MCU在得到速度值之后在用速度值根據(jù)時間求導即可得到小車的運動加速度，也可以根據(jù)傳統(tǒng)的時間、距離及速度的關(guān)系公式算出加速度；假設光柵條的間隔周期為1mm的長度，MCU處理器根據(jù)A相和B相信號在固定的時間t，1mm內(nèi)變化的次數(shù)s，就可以根據(jù)公式v=s/t求出小車的運動速度v，然后根據(jù)公式求出小車的加速度a。

本發(fā)明運動小車上裝有兩路反射式光電傳感器，運動小車內(nèi)部含有電池及充電等電源模塊，電池等組成的電源模塊用于充電管理及電路供電電源，可以避免電源線對小車自由運動的影響；運動小車內(nèi)部電路中含有MCU處理器、無線通信模塊，MCU處理器用于處理光電傳感器轉(zhuǎn)化來的方波電信號來判斷小車的運行方向，計算小車運行速度；無線通信模塊用于和其他終端設備進行通信實現(xiàn)數(shù)字化教學，避免通信線對小車運動的影響，運動小車在固定的軌道上運行，小車軌道上有和小車輪間距相等的兩個導向槽，兩個導向槽用于引導小車的行駛軌跡，小車軌道上沿著小車運動軌跡貼有兩路相位差90度的黑白光柵條，小車運行時，兩路反射式光電傳感器把軌道上的光柵條信息轉(zhuǎn)化為相位差90度的數(shù)字方波脈沖信號，送給MCU電路處理及計算，帶顯示的終端設備，主要用于接收處理小車的測量結(jié)果，實現(xiàn)圖形化顯示，測量結(jié)果直觀明了。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的突出效果如下：

傳統(tǒng)的試驗方式需要有額外的電源線連著運動小車，并且需要配合打點紙一起使用，但是電源線和打點紙會造成額外阻力，對實驗產(chǎn)生影響；本發(fā)明安裝簡單，操作方便，采用非接觸式測量，沒有電源線，打點紙帶等額外阻力對實驗的影響，可以適用于多種運動規(guī)律的探究實驗。本發(fā)明基于光電方式，不改變傳統(tǒng)實驗方式的情況下，采用無接觸方式測量出了小車的運動方向及距離，適用于探究勻速直線運動規(guī)律，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，小車碰撞等各種實驗。本發(fā)明以電池供電，采用非接觸測量方式，克服了小車運動實驗中電源線阻力及測量阻力對自由運動本身的影響；本發(fā)明以導向槽作為運動方向的引導，用反射式光電傳感器結(jié)合光柵條判斷小車的運動方向，計算小車的運動速度、加速度等物理量，克服了傳統(tǒng)的小車運動系統(tǒng)需要借助各種外置傳感器來進行運動參數(shù)的測量等缺陷。本發(fā)明可以識別小車的運動方向，測算出距離，加速度等信息，減少實驗過程中測量計算環(huán)節(jié)，功能全面；本發(fā)明可以在各種終端設備上（如PC機、平板電腦、筆記本、手機、投影儀和智能手表等）以數(shù)字方式、圖形方式等呈現(xiàn)實驗結(jié)果，實現(xiàn)了數(shù)字化教學。本發(fā)明結(jié)構(gòu)嚴謹、操作組裝簡單，使用方便，能夠滿足需要開展此項工作的教學需求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明小車正向行駛時，方波信號結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明小車反向行駛時，方波信號結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-車體；2-第一反射式光電傳感器；3-第二反射式光電傳感器；4-軌道；5-第一路黑白光柵條；6-第二路黑白光柵條；7-導向槽；8-電池模塊；9-車蓋；10-電路板；11-車輪。

具體實施方法

如圖1所示，本發(fā)明一種能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)，包括軌道4和設置在軌道4上的運動小車，所述運動小車內(nèi)設有MCU處理器、反射式光電傳感器、電源模塊8和無線通信模塊；所述反射式光電傳感器、電源模塊8和無線通信模塊均與MCU處理器相連；所述軌道4上設有與運動小車車輪11間距相等的兩個導向槽7，所述軌道4之間設有兩路相位差為90度的黑白光柵條。

所述運動小車包括相連的車體1和車蓋9，所述MCU處理器、電源模塊8和無線通信模塊均設置在車體1和車蓋9之間，所述反射式光電傳感器設置在車體1的底部。

本發(fā)明所述MCU處理器和無線通信模塊集成在電路板10上。所述反射式光電傳感器有兩個，分別為第一反射式光電傳感器2和第二反射式光電傳感器3，所述軌道4之間設有兩路黑白光柵條，分別為第一路黑白光柵條5和第二路黑白光柵條6，所述第一反射式光電傳感器2對應第一路黑白光柵條5，所述第二反射式光電傳感器3對應第二路黑白光柵條6。本發(fā)明還包括與無線通信模塊相連的帶顯示功能的終端設備。所述帶顯示功能的終端設備包括PC機、平板電腦、筆記本、手機、投影儀和智能手表。

如圖2-3所示，本發(fā)明一種能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)，包括小車，小車內(nèi)部安裝有電池，電路板，兩個反射式光電傳感器，電路板上含有MCU處理器及無線收發(fā)模塊、電源開關(guān)等；小車在軌道上運行，軌道上設置有導向槽，軌道上含有光柵條。兩組反射式光電傳感器分別測量光柵條的兩路黑白間隔的光柵信息，把相位差為90度的光柵信號轉(zhuǎn)換為相位差90度的方波電信號A和B，（如圖2-3）。MCU處理器根據(jù)A或B信號在一個脈沖周期中的某一特定跳變沿時刻另一個信號的電平高低來進行辯向和計數(shù)。如圖2所示，當小車正向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號超前B相（A相上升沿時，B相低電平），如圖3所示，當反向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號滯后B相（A相上升沿時，B相高電平），MCU處理器以此來識別小車的運動方向。圖中A相和B相方波信號對應的光柵條上的長度是固定的，MCU處理器根據(jù)A相和B相信號占用的時間長度就可以計算出速度和加速度等信息。

能自識別運動方向及距離的數(shù)字化小車軌道系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

步驟一、小車運行方向的判定；

當小車正向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號超前B相（A相上升沿時，B相低電平，以此來判斷出小車正向行駛；當反向行駛時，光電傳感器輸出的A相信號滯后B相，A相上升沿時，B相高電平，以此來判斷出小車反向行駛，MCU處理器以此來識別小車的運動方向；

步驟二、求取小車的速度；

A相和B相方波信號對應的光柵條上的長度是固定長度，假設光柵條的間隔周期為1mm的長度，MCU處理器根據(jù)A相和B相信號在固定的時間t， 1mm內(nèi)變化的次數(shù)s，就可以根據(jù)公式v=s/t求出小車的運動速度；

步驟三、求取小車的加速度；

MCU在得到速度值之后在用速度值根據(jù)時間求導即可得到小車的運動加速度，也可以根據(jù)傳統(tǒng)的時間、距離及速度的關(guān)系公式算出加速度；假設光柵條的間隔周期為1mm的長度，MCU處理器根據(jù)A相和B相信號在固定的時間t，1mm內(nèi)變化的次數(shù)s，就可以根據(jù)公式v=s/t求出小車的運動速度v，然后根據(jù)公式求出小車的加速度a。

傳統(tǒng)的試驗方式需要有額外的電源線連著運動小車，并且需要配合打點紙一起使用，但是電源線和打點紙會造成額外阻力，對實驗產(chǎn)生影響；本發(fā)明安裝簡單，操作方便，采用非接觸式測量，沒有電源線，打點紙帶等額外阻力對實驗的影響，可以適用于多種運動規(guī)律的探究實驗。

本發(fā)明基于光電方式，不改變傳統(tǒng)實驗方式的情況下，采用無接觸方式測量出了小車的運動方向及距離，適用于探究勻速直線運動規(guī)律，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，小車碰撞等各種實驗。本發(fā)明以電池供電，采用非接觸測量方式，克服了小車運動實驗中電源線阻力及測量阻力對自由運動本身的影響；本發(fā)明以導向槽作為運動方向的引導，用反射式光電傳感器結(jié)合光柵條判斷小車的運動方向，計算小車的運動速度、加速度等物理量，克服了傳統(tǒng)的小車運動系統(tǒng)需要借助各種外置傳感器來進行運動參數(shù)的測量等缺陷。本發(fā)明可以識別小車的運動方向，測算出距離，加速度等信息，減少實驗過程中測量計算環(huán)節(jié)，功能全面；本發(fā)明可以在各種終端設備上（如PC機、平板電腦、筆記本、手機、投影儀和智能手表等）以數(shù)字方式、圖形方式等呈現(xiàn)實驗結(jié)果，實現(xiàn)了數(shù)字化教學。本發(fā)明結(jié)構(gòu)嚴謹、操作組裝簡單，使用方便，能夠滿足需要開展此項工作的教學需求。

除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方法。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。