Измерение мгновенной скорости с помощью секундомера или компьютера с датчиками

Обновлено: 03.07.2024

Экспериментально в нашей физической лаборатории мы можем использовать любой из нескольких методов для измерения скорости объектов.

Секундомер и метр:

Самый простой способ измерить скорость – использовать секундомер и измерительную линейку. Если кто-то не проявляет небрежности, человеческую ошибку редко можно отнести к ошибкам в экспериментах. Однако хорош секундомер ровно настолько, насколько хорош человек, им управляющий. В лучшем случае время реакции человека составляет доли секунды (1/5), и уже одно это может привести к ошибке.

Фотодатчики и измерительные щупы

Мы можем устранить фактор человеческой ошибки, используя фотозатвор. В фотовороте, когда наш движущийся объект блокирует луч света, это запускает запуск нашего таймера. Когда он заблокирует вторые ворота, можно остановить таймер. Некоторые фотодатчики являются автономными устройствами, другие интегрируются с компьютером. Вы также можете настроить фотозатворы для измерения более короткого времени, в течение которого луч блокируется, поскольку объект заданного физического размера блокирует луч.

Тикерлента и измерительная лента

Магнитофон издает очень жуткий звук. У него небольшой металлический стилус, который качается вверх и вниз со скоростью 60 циклов в секунду. Эта частота обусловлена ​​​​частотой электричества переменного тока, питающего устройство. Длинный кусок бегущей ленты прикрепляется к движущемуся объекту и протягивается через машину по мере движения объектов. Кусок копировальной бумаги помещается между вибрирующей иглой и бегущей лентой. Каждый раз, когда игла отскакивает вниз, на бумаге остается угольная точка. Расстояние между этими точками можно измерить простой измерительной линейкой после проведения эксперимента. Время между точками составляет просто 1/60 секунды. Полезно отметить, что чем быстрее движется объект, тем больше расстояние между точками.

Ультразвуковые датчики движения похожи на радарные пушки, которые мои полицейские использовали для измерения скорости автомобилей на шоссе. Основное отличие состоит в том, что эти датчики используют ультразвуковые волны. Это звуковые волны с таким высоким тоном, что они находятся за пределами диапазона человеческого слуха. Датчик излучает ультразвуковые волны в сфокусированном конусе. Когда волны отражаются обратно к датчику, звуковая волна собирается. Благодаря доплеровскому смещению мы можем точно измерить скорость объекта.

Анализ видеоизображения. Много лет назад мы могли делать фотографии с помощью стробоскопа для измерения кинематики. Если вы посмотрите на фотографии со стробоскопом, вы можете ясно увидеть, как расстояние между изображениями увеличивается со скоростью.

Сегодня мы можем снимать видео с веб-камеры или мобильного телефона. Так как видео собрано со скоростью 30 кадров в секунду, мы знаем интервал времени на фотографии. Если мы знаем соотношение между размером пикселя и расстоянием, мы можем легко найти скорость. Этого можно добиться, если мы знаем размер объекта на видео. Или измерительную линейку можно поместить в видео в качестве эталонной шкалы. Однако следует быть осторожным с эффектами параллакса на видеоизображении. Если объект находится дальше (или не под углом), он будет казаться меньше. Незаметным методом будет использование LoggerPro или VideoPhysics от Vernier Software. В этом программном обеспечении вы нажимаете на положение объекта, который пытаетесь проанализировать в каждом кадре.

Чтобы анализировать движение, необходимо знать положение и время. Это вводные эксперименты, охватывающие некоторые основные методы и вопросы измерения.

Далее

Использование тикера-таймера для измерения времени

Использование тикера-таймера для измерения времени

Практическое задание для 14–16 лет

Практический урок

Это полезное введение в использование тиккер-таймеров.

Оборудование и материалы

Для каждого учащегося или группы учащихся

• Тикер-таймер
• Тикер
• Секундомер или секундомер
• Механическая тележка или игрушечная машинка с заводным/обратным приводом ДОПОЛНИТЕЛЬНО.

Здоровье и безопасность и технические примечания

В переполненных лабораториях оцените пространство, необходимое для протягивания ленты, и расставьте группы так, чтобы избежать столкновений.

Тикер-таймер должен поставляться с рекомендованным блоком питания (переменный ток низкого напряжения, как указано, с выключателем).

В некоторых тикер-таймерах вместо углеродных дисков используется светопроявленная лента. После удара по ленте вибрирующей рукой требуется несколько минут, чтобы точки стали видны.

1. Проденьте короткий отрезок бегущей ленты через бегущую строку таймера. Если есть диск из копировальной бумаги, убедитесь, что лента проходит под диском.
2. Включите бегущую строку на несколько секунд. Он быстро вибрирует и ударяется о верхнюю часть копировальной бумаги. Он оставляет на ленте множество точек через равные промежутки времени.
3. Удалите ленту с бегущей строки. Если при включении бегущей строки лента не двигалась, то все точки будут на одном месте.
4. Проденьте более длинный кусок бегущей ленты длиной около 1 метра через бегущую строку. Включите тикер-таймер. Медленно протяните ленту через бегущую строку таймера.
5. Проверьте ленту, чтобы увидеть каждую отдельную точку с промежутком между ними. Можно сказать, что каждое расстояние между точками обозначает такт времени.
6. Проденьте еще один отрезок ленты длиной 1 метр через таймер.
7. Вам нужен стартовый сигнал и стоп-сигнал. Это могут быть хлопки в ладоши одним из членов вашей группы или вашим учителем. Между ними должно быть всего несколько секунд. Медленно потяните ленту и включите тикер-таймер по стартовому сигналу. Выключите его на стоп-сигнале.
8. Подсчитайте количество точек между точками между началом и концом. Это время между сигналами, измеряемое в тиках.
9. Используйте свежий кусок ленты и секундомер или секундомер. Протяните ленту через тикер-таймер на 3 секунды. Узнайте, сколько тиков будет за 3 секунды. Узнайте, сколько их в 1 секунду. Определите время в секундах, равное 1 тику.

• Все учащиеся могут использовать одинаковые сигналы запуска и остановки, например два хлопка в ладоши учителем. Это дает возможность сравнить результаты, полученные разными учащимися. Время можно заносить в таблицу и использовать для обсуждения диапазона, среднего значения и расчетной ошибки.
• Можно составить столбчатую диаграмму ответов учащихся за время в секундах, равное одной отметке. Большинство тикер-таймеров вибрируют с частотой 50 Гц и, таким образом, делают 50 точек в секунду. Для них ожидаемое среднее значение одного тика составляет 1/50 секунды или 0,02 с. (Некоторые тиккер-таймеры дают частоту создания точек 100 Гц , и для них значение одного тика эквивалентно 1/100 секунды или 0,01 с .)
• Вы можете сделать модель действия бегущей строки и бегущей строки. Переместите рулон обоев вдоль скамейки или пола и попросите учащегося нанести на обои капли краски или чернил через определенное время. Это может быть обозначено устойчивым хлопком в ладоши или метрономом. Быстрые и медленные движения съемника обоев будут создавать капли с разным расстоянием между ними за равные промежутки времени. Каждое пространство между большими двоичными объектами представляет собой такт времени.
• Дополнение «Как работает наука». Это упражнение можно использовать в качестве подсказки для обсуждения сравнительных достоинств бегущей строки в качестве устройства отсчета времени по сравнению с секундомером. Выполните простое измерение скорости движущегося объекта, такого как тележка механика или вагон с инерционным двигателем, используя таймер и обычный секундомер. Предложите учащимся обсудить или написать о сильных и слабых сторонах каждого метода. Ключевым моментом обучения является выбор подходящего оборудования с использованием понятий точности и неопределенности измерений.

Этот эксперимент был проверен на безопасность в январе 2007 г.

Далее

Измерение времени гонки

Измерение времени гонки

Практическое задание для 14–16 лет

Практический урок

Это введение в язык измерения, включая понятия диапазона, воспроизводимости, среднего значения, истинного значения, точности, разрешающей способности прибора и, что наиболее важно, неопределенности измерения.

Оборудование и материалы

Для каждого учащегося или группы учащихся

• Секундомер или секундомер
• Строка
• Доска статистики (см. технические примечания)
• Масса, 50 г , 5 или 6
• Конусы/маркеры, 10 ДОПОЛНИТЕЛЬНО
• Видеокамера ДОПОЛНИТЕЛЬНО
• Рулетка, длинная (не менее 10 м) ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Здоровье и безопасность и технические примечания

Если студенты работают на улице, они должны находиться под надлежащим контролем.

Если в лаборатории используется тележка, убедитесь, что тележка не приземлится никому на ступни или ноги.

Доска статистики изготовлена ​​из куска деревянной доски площадью около 0,5 м². К нему приклеивают десять прорезных каналов и вырезают диски из металла (или другого подходящего материала) так, чтобы они вошли в каналы. Плата поддерживается вертикально.

< /p>

Назначьте значения каждому каналу. Учащиеся бросают диск за достигнутую ценность. Распределение результатов растет по мере добавления результатов.

1. Один ученик пробегает дистанцию ​​100 метров. Вы и другие учащиеся независимо отсчитываете пробежку.
2. Сравните все измерения. Каков их диапазон (разница между самым высоким и самым низким измеренным значением)? Что это говорит вам о воспроизводимости измеренных значений времени?
3. Каково среднее значение всех измерений? Среднее — это своего рода среднее. Решите это, сложив их все вместе, а затем разделив на количество измерений. Насколько близко, по вашему мнению, среднее значение согласуется с истинным значением времени выполнения? Другими словами, оцените точность среднего значения.
4. Все ли использовали секундомеры с одинаковым разрешением? Например, у всех секундомеры показывали время в десятых или сотых долях секунды? (0,1 сек – это десятая доля секунды; 0,01 сек – сотая доля секунды).
5. Попробуйте оценить время реакции, связанное с нажатием секундомера для «начала» и «завершения» пробежки. Сумма этих времен реакции, скорее всего, больше, чем разрешение секундомера.
6. Насколько вы можете быть уверены в фактическом времени, затраченном на пробежку? Вы не можете быть полностью уверены! В измерениях должна быть некоторая неопределенность. Среднее значение измерения может составлять 14,8 с. Возможно, вы думаете, что «истинное» время бега составляет от 14,6 до 15,0 секунд. Тогда можно сказать, что погрешность составляет ± 0,2 секунды.

• Самым важным термином здесь является неопределенность измерений. Это понятие можно вводить в начале естественнонаучного образования. Дополнительная терминология, связанная с измерениями, должна усиливать ее значение, а не отвлекать от него. Например, вы можете пропустить шаги 4 и 5 из Процедуры (выше).
• В более сложной работе неопределенность измерения иногда называют «ошибкой измерения». Здесь слово неопределенность более четко описывает обоснованное сомнение в полученном результате.
• Точность — это качество, обозначающее степень соответствия между измеренными значениями, полученными в результате повторных измерений. Если значения группируются близко друг к другу, измерения называются «точными». Воспроизводимость — это точность, получаемая при проведении измерений разными операторами с использованием разных инструментов.
• Статистическая обработка играет очень важную роль в современной науке. Ожидается, что в продвинутых экспериментах учащиеся будут относиться к ошибкам с некоторой статистической осторожностью. В кинетической теории постоянное давление газа признается средним значением бесчисленных отдельных бомбардировок. Статистические методы используются для изучения деталей скорости или размеров молекул. В современной атомной физике первостепенное значение имеют статистические представления. Таким образом, вы вполне можете начать более поздние научные исследования, показав, как ученые смотрят на ряд измерений одного и того же объекта.
• Время можно сопоставить в виде списков чисел или, используя компьютер, в виде гистограмм или с помощью статистической доски. Гистограммы позволяют учащимся визуально понять диапазон, среднее значение и неопределенность.
• Стоит отметить, что в кавычках может быть слишком много цифр. Учащийся, который использует секундомер и дает время 14,77 секунды, считает, что процесс измерения времени имеет меньшую неопределенность, чем на самом деле. Ответы продолжительностью 15 секунд или 14,8 секунд могут быть приемлемыми (в зависимости от процедуры хронометража и секундомера).
• Здесь термин «среднее» используется для обозначения определенного вида среднего значения, полученного путем деления суммы значений на размер выборки.
• Вы можете повторить это действие для другого движения, например для тележки, которую тянут на расстояние в метр по столу, или для падения груза. Опять же, все студенты должны измерить время для одного и того же движения. Диапазон, среднее значение и погрешность измерения можно сравнить с таковыми для бега учащегося на 100 метров.
• Возможно, вы захотите сравнить время для реальных спортивных гонок. Информацию о спортивных рекордах можно найти в Интернете. Например, см. рекорд Усэйна Болта в беге на 100 м на Олимпийских играх 2008 года. Можно было сравнить разрешающую способность приборов для разных видов спорта, а учащиеся могли обсудить идею неопределенности измеренных значений.

< бр />

Фотозатворы – это основной элемент любой физической лаборатории, который используется для обучения студентов основным понятиям об измерении временных интервалов и вычислении скорости и ускорения на основе их измерений. Учителя физики предпочитают фотодатчики традиционным секундомерам из-за их повышенной точности.

Фотозатворы – это устройство для измерения времени, которое измеряет время изменения состояния инфракрасного луча, заблокированного флажком известной длины, а также время разблокирования луча. Используя длину флага и заблокированное время, учащиеся могут рассчитать скорость. Чем меньше длина флага, тем более «мгновенным» становится измерение. Используя «Пикетный забор» (карточка с несколькими флажками), учащиеся могут рассчитать ускорение.

Фотозатворы также могут измерять вращение шкива с достаточно широкими спицами, которые действуют как «флажки», блокируя инфракрасный луч фотозатвора.

Типичные приложения

• Определение g, ускорение свободного падения
• Скорость и ускорение
• Движение снаряда
• Машина Этвуда
• Столкновения
• Импульс и импульс
• Сохранение импульса
• Кинетическая энергия
• Простой маятник
• Центростремительное ускорение

Изучение столкновений. Показан Smart Gate с прикрепленной к нему гирляндой Photogate Head. Оба они прикреплены к дорожке динамики с помощью кронштейнов для фотоворот, а автомобили PAScar оснащены ограждениями для тележек.

Использование Smart Gate и Super Pulley для измерения ускорения автомобиля PAScar.

Умные ворота

Новейшие умные ворота PASCO, беспроводные умные ворота, имеют те же функции, что и умные ворота PASPORT, но не требуют интерфейса. Вместо этого он подключается напрямую к вашим компьютерам, Chromebook, планшетам или смартфонам либо через Bluetooth 4, либо через USB.

Умные ворота — это усовершенствование традиционных фотоворот. Как PASPORT Smart Gate, так и Wireless Smart Gate можно настроить для всех традиционных применений стандартного фотозатвора, а с их новыми функциями — для экспериментов, недоступных для стандартного фотозатвора.

Умные ворота содержат два фотодатчика, расположенных на расстоянии 1,5 см друг от друга, что обеспечивает более точное измерение скорости по сравнению с любыми традиционными фотодатчиками. Время нарастания и спада измерений Smart Gate быстрее, чем у любого другого фотодатчика, что обеспечивает более точную синхронизацию. Smart Gates также имеют вспомогательный порт для последовательного подключения дополнительной головки Photogate или Time of Flight Accessory. Используйте встроенную направляющую ленты для фотозатвора, чтобы использовать нашу ленту для фотозатвора Mylar для измерения скорости и ускорения быстро движущихся объектов, которые слишком велики, чтобы пройти через интеллектуальные ворота.

Умные ворота также оснащены лазерным переключателем, который позволяет использовать простую лазерную указку в качестве луча. Это полезно для измерения времени очень больших объектов или когда вам нужно очень большое расстояние между лучами.

Smart Gates имеют такую ​​же монтажную площадь, что и наша традиционная головка фотозатвора, и совместимы со всеми устройствами PASCO, совместимыми с фотозатворами.

Функции беспроводной связи и PASPORT Smart Gate

• Два фотозатвора на расстоянии 1,5 см
• Руководство по ленте Photogate
• Лазерный переключатель
• Дополнительный порт
• В комплекте монтажный стержень.

Совместимость Smart Gate

PASPORT Smart Gate напрямую совместим с интерфейсами PASPORT (за исключением Xplorer GLX и SPARK Science Learning System). Wireless Smart Gate совместим с устройствами, изначально поддерживающими Bluetooth 4 или использующими наш USB-адаптер Bluetooth. См. сведения о совместимости с беспроводными сетями. Его также можно напрямую подключать к устройствам со стандартным портом USB.

Беспроводной умный шлюз

Wireless Smart Gate имеет все функции проводных Smart Gate, а также дополнительную гибкость беспроводного подключения к вашей системе сбора данных.

Умные ворота

Фотодатчик, который можно подключить к любому интерфейсу PASPORT, имеет дополнительный порт для последовательного подключения шлюзов, двойные лучи для точного измерения скорости и специальный слот для ленты фотодатчика.

Система Smart Gate для запуска снарядов

Изучайте движение снарядов и точно измеряйте скорость с помощью системы, включающей мини-пусковую установку и умные ворота.

Голова фотоворота

Изначально разработанные как часть оригинальной линейки датчиков PASCO ScienceWorkshop, головки Photogate совместимы с универсальными интерфейсами 550 и 850, устаревшими интерфейсами ScienceWorkshop и требуют цифрового адаптера для подключения к интерфейсам PASPORT, таким как AirLink. См. сравнение интерфейсов. Головку Photogate также можно последовательно подключить к Smart Gate.

Голова фотоворота

Отслеживает движение объектов, проходящих через его ворота, и подсчитывает события, когда объект пересекает инфракрасный луч.

Фотозатвор для аксессуаров

Включает в себя головку фотозатвора и подставку для фотозатвора для гибкого планирования эксперимента.

Система динамики фотоворот и ограждений

При использовании с компьютером для записи, отображения и анализа данных эта система синхронизации фотозатвора/шкива может обеспечить широкий диапазон измерений времени, скорости и скорости.

Отдельные параметры

Если вы не планируете использовать программное обеспечение PASCO или просто предпочитаете независимую систему, доступны системы цифрового фотозатвора и системы интеллектуального таймера.

Система цифрового таймера — это комплексная система, простая и надежная, с высоким разрешением. Он имеет простую встроенную память для двухкратной записи.

Система интеллектуального таймера — это автономный таймер, который может управлять одной или двумя головками фотозатвора. Он доступен отдельно (с включенными штакетниками) или в виде полной системы.

Умный таймер имеет простые кнопки настройки для всех наиболее распространенных вариантов использования фотоворот, включая частокол, маятники, столкновения, двойные шкивы ворот и многое другое.

Система цифрового фотозатвора

Включает цифровой таймер фотозатвора и дополнительный фотозатвор.

Таймер фотозатвора

Цифровые фотозатворные таймеры PASCO используются в тысячах физических лабораторий по всему миру.

Система фотозатвора с интеллектуальным таймером

Эта система включает в себя два фотодатчика и интеллектуальный таймер PASCO для измерения времени, скорости, ускорения и счета.

Умный таймер

Универсальный, экономичный, портативный способ точного измерения времени, скорости, ускорения и счета.

Точность определения местоположения велосипедиста является важным параметром для расчета скорости велосипедиста.

Чтобы добиться естественного поведения велосипедиста, необходимо вмешательство других участников дорожного движения без предварительного уведомления.

Анализ компьютерного зрения с видеозаписью дает возможность внимательно изучить данные на всех этапах.

Анализ видео позволяет непрерывно отслеживать велосипедистов для расчета профиля скорости.

Аннотация

Существует растущий глобальный интерес к разработке и внедрению экологичных способов передвижения. Велосипед — важный способ передвижения, предлагающий действенные решения хронических транспортных проблем, связанных с заторами и выбросами. Точность положения велосипедиста считается важным параметром для расчета скорости велосипедиста. Данные о скорости велосипедистов необходимы для точного проектирования мер управления дорожным движением, для исследований безопасности и для анализа расстояния видимости. В литературе можно найти различные методы и результаты измерения скорости. В этом исследовании критически рассматриваются рецензируемые исследования, в которых обсуждаются различные методы измерения скорости велосипедистов. В этом обзоре рассматривается точность методов измерения и подчеркиваются ограничения рассматриваемых исследований. Эти выявленные ограничения классифицируются как: ограниченный диапазон направлений движения, выбор наблюдаемых велосипедистов, сезонные колебания измерений, полнота отчетов о результатах, отчеты об ограничениях оборудования и валидация измерений. В исследовании обобщаются предыдущие результаты статистики скорости велосипедистов. В этом исследовании также рассматривается уровень автоматизации измерения скорости. Любой метод, предполагающий участие человека во время сбора или анализа полевых данных для оценки скорости велосипедиста, классифицируется как ручной. Устанавливаются дополнительные категории для полуавтоматических и автоматических методов измерения. Был проведен метаанализ, чтобы проверить, зависит ли указанная скорость велосипедистов от того, где они были записаны; перекрестки или участки дороги. Результат непарного t-теста показал, что нет существенной разницы между средними значениями скорости велосипедистов на участках дорог и сигнализированных перекрестках при уровне достоверности 95%. В исследовании подчеркивается растущее значение использования автоматизированных методов компьютерного зрения для измерения скорости. В статье преимущества методов компьютерного зрения сравниваются с другими методами измерения.

Ключевые слова

< /p>

Али Кассим, доктор технических наук, адъюнкт-профессор-исследователь с большим опытом работы в проектах по велоспорту и безопасности транспорта и дорожного движения в городе Оттава.

< /p>

Хасан Тайеб, доктор технических наук, доцент с большим опытом работы в области промышленности, транспорта и управления проектами в Университете Умм Аль-Кура, Мекка, Саудовская Аравия.

Мубарк Аль-Фалахи, кандидат наук, специалист по транспорту с опытом работы в проектах дорожного движения и дорожного покрытия в муниципалитетах Абу-Даби, Объединенные Арабские Эмираты.

Рецензирование осуществляется отделом периодических изданий Чанъаньского университета.

Таймеры фотозатвора обычно используются в физических лабораториях для определения скорости проходящего объекта. В этом приложении карта, прикрепленная к движущемуся объекту, прерывает луч таймера фотозатвора, обеспечивая время для прохождения карты. Затем длину L проходящей карты можно разделить на это время, чтобы получить среднюю скорость (или скорость) проходящего объекта: Vavg = L/t.

Откройте для себя мировые исследования

• 20 миллионов участников
• 135 миллионов публикаций
• Более 700 тыс. исследовательских проектов

En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema sencillo y de bajo costo para la adquisción de datos utilizando una placa Arduino conectada dos sensores fotopuertas. Para comprobar la precisión de estos en la determinación de los tiempos, se рассматривает como ejemplo de aplicación el cálculo de la aceleración de la grav-vedad mediante el uso de un dispositivo que consta de un móvil que carga diferentes masas y se desliza sobre un riel сопладор де айр. Los valores де velocidades Instantáneas сына calculados, registrados у enviados уна computadora. El программное обеспечение для визуализации данных де лос datos Fue Programado де Forma таль дие Permita ла inter-acción кон лос выпускников mediante cualquier dispositivo дие cuente мошенник capacidades де conexión уна красный у ип navegador сети. De la Experiencia realizada себе Desprende дие Esta placa posee уна muy buena capacidad у precisión ан ла toma де datos. Por Otro Lado, эль Formato де Presentación де ла Información registrada logro captar la atención de los alumnos generando un genuino interés en Esta Experiencia. В данной статье описывается разработка простой и недорогой системы сбора данных с использованием платы Ar-duino, подключенной к двум датчикам фотозатворов. Чтобы проверить их точность при определении времени, мы рассмотрели вычисление ускорения свободного падения с помощью устройства, состоящего из мобильного телефона, нагруженного различными массами, который скользит по рельсу воздуходувки. Мгновенные значения скорости рассчитываются, записываются и передаются на компьютер. Программное обеспечение для визуализации данных было запрограммировано таким образом, что позволяет взаимодействовать со студентами через любое устройство с возможностью подключения к сети и веб-браузер. Этот опыт показал, что плата Arduino обладает очень хорошими возможностями и точностью сбора данных. С другой стороны, формат, в котором информация представлена ​​учащимся, привлекает их внимание, вызывая неподдельный интерес к этому опыту.

Читайте также:

  
• Почему телефон не видит карту памяти huawei
  
• Sony playstation 2 какие игры тянет
  
• Как вернуть звуковую дорожку в Premier Pro
  
• Как отправить файл в вк
  
• Как открыть файл efi