7-9年级-初中综合实践活动 8.用计算机做科学实验-教案、教学设计-市级优课-(配套课件编号：1087d)（信息技术）.doc

1、 1 声音的秘密 超声波的应用 【教学目标】【教学目标】 1. 善于从生活中发现问题，并寻找解决方法。 2.了解超声波和声波的关联系及区别。 3.了解超声波传感器测距的原理，能够正确接线并利用超声波传感器搭建一个倒车雷 达。 4.发现倒车雷达存在的问题，并进行矫正。 5.探究影响超声波传播速度的可能因素，并进行实验探究、验证。 3.通过实践探究，解决实际问题。 【实验器材】【实验器材】 Arduino Nano 电路板、扩展板、超声波传感器、面包板、杜邦线、蜂鸣器、LED 小灯 【教学【教学过程过程】 一、一、从生活中的超声波发现问题从生活中的超声波发现问题 情境导入： 大家有没有注意过家里汽

2、车的倒车雷达， 是不是每次都能引导我们准确倒车 呢？ （学生回答） 其实我们陆老师也有类似的烦恼， 现在让我们通过一个视频来看看究竟陆老师遇到了什 么麻烦？ （播放视频） 现场采访陆老师，了解陆老师的倒车烦恼项目缘起项目缘起。 为什么有些车它的倒车雷达就很精准， 而陆老师的却不够精准呢？究竟陆老师的倒车雷 达存在哪些问题？我们能不能帮她想点解决方案呢？今天我们就一起来帮帮陆老师解决这 个难题。 二、二、实践探究实践探究 要想知道研究倒车雷达的问题， 首先我们要了解倒车雷达的工作原理， 也就是超声波测 距的原理。（学生回答） 【原理】 其实声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。超声波是指振

3、动频率大于 20000Hz 以上的， 其每秒的振动次数 （频率） 甚高， 超出了人耳听觉的一般上限 （20000Hz） ， 人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大， 其能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、 焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短， 衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声和可闻声本 质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，是一种能量的传播形式，其不同点是 超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 当然倒车雷达是利用了超声波指向性强， 能量消耗缓慢， 在介质中传播的距离

4、较远的特 点。 当测量距离时，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超 声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波接收器收到反射波就立即停止计 时。 利用超声波在空气中的传播速度为已知， 根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍 2 物的实际距离(L)，即：L=C（速度）T（时间）。 项目一、搭建倒车雷达项目一、搭建倒车雷达 为了更好研究超声波倒车雷达问题， 学生自己动手搭建一个倒车雷达， 来现场模拟一下 倒车场景。 所需要的实验器材主要是：Arduino Nano 电路板、扩展板、面包板、超声波传感器、杜 邦线、蜂鸣器、LED 小灯 介绍传感器：4 个针脚

5、，GND 接地，VCC 接正极，TRIG 是触发器，发射信号，ECHO 用于接收信号，这两个针脚分别接数字端口信号极 S 极。 同学们自己动手搭建倒车雷达，然后打开 Arduino 软件，编写程序，使得能够通过串口 监视器来读取距离信息。 （学生搭建倒车雷达并编写程序） 屏幕上显示的这个数据是不是就是真实的、 准确无误的呢？借助激光测距仪来验证超声 波传感器测得的距离是否精准。 补充：为什么激光测距仪更精准？因为它是红外测距，红外线的本质是一种电磁波。电 磁波的传播本质是振荡粒子波， 传播速度为光速， 所以相比于超声波的测距可靠性和准确性 都有较大的提升。 下面我们把激光测距仪底端和超声波传感

6、器的尾端平齐， 靠在桌边， 因为这两者的测距 都是从底端开始计算的。 然后另一位成员拿一本书放在另一端， 当串口监视器读取的值稳定 的时候，记下测得的距离，然后按下激光测距仪，读取实际距离并记录，改变距离，多次测 量， 比较测量距离与实际距离是否一致， 计算出两者间的误差， 并描点绘制相应趋势变化图。 实验次数 1 2 3 4 5 测量距离 （cm） 20 30 40 50 60 实际距离 （cm） 21.9 32.2 43.9 53.4 64.0 误差（cm） 1.9 2.2 3.9 3.4 4.0 3 描点作图 误差（cm） 实际距离（cm） 项目二、优化倒车雷达项目二、优化倒车雷达 【误

7、差矫正误差矫正】 通过误差分析图你发现了什么规律？ （测量距离为 20cm 时，实际距离和测量距离相差 1.9cm，并且距离越大，误差越大） 很好， 那说明我们的超声波传感器测得的距离并不精准， 既然我们已经发现了一个问题 了，那能不能想办法给它做个矫正呢，使得测得的距离更精准。 （学生思考回答） 很好，我们可以先以 40cm 为例，直接在测得的距离上加上 3.9，这样就更接近实际距 离了。下面就请同学们修改程序，对我们的超声波传感器进行矫正，并再次测试验证。 （学生编写矫正误差程序并测试） 问题发现： 我们刚刚是以 40cm 为例进行矫正，但其实如果我改变测量距离，误差又改变了。课后 研究超

8、声波传感器误差与距离的关系， 是否能找出一个公式， 使得任意距离都能准确矫正误 差。 【优化报警装置优化报警装置】 利用现有器材，为陆老师的倒车雷达增加一个报警装置，使得距离障碍物越近，警报提 示越急促。 （学生添加蜂鸣器或 LED 小灯提示） 那是不是对超声波传感器进行误差矫正， 我们的倒车雷达就完美了呢？你觉得它还存在 哪些问题？或者说它在测距的过程中还可能受哪些因素影响而影响其精准度。 （学生回答：时间误差、温度、湿度） 原因分析： 我们都知道超声波测距公式是 L=C（速度）T（时间），可知测距的误差是由超声波 的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 今天我们先从传播速度误差这一

9、角度来分，通常我们默认声音在空气中的传播速度为 340m/s，但实际上声音的传播速度并不是固定不变的。 我们都知道超声也是一种声音， 根据我们物理所学知识， 声音的传播速度又与介质有关， 0 4 不仅是在不同介质中传播速度不同，在同一介质中传播速度有差异。 项目三、自主研究项目三、自主研究 还有哪些因素可能影响超声波的传播速度？ 由于时间有限， 今天我们就先从温度这一角度来探究， 同学们可以利用吹风机改变温度， 自己设计实验验证猜想，并记录实验数据。 三、三、展示分享展示分享 我们请一组同学来给我们分享他们的实验成果。 （学生展示） 确实，温度对超声波的传播速度是有影响的。老师这里也测得一些数据，从这些数据中 我们可以看出超声波在空气中的传播速度与温度实际上呈线性关系，温度越高，速度越大。 四、四、小结小结 实际上为什么有些车它的倒车雷达就很精准呢， 因为它考虑到了影响其精准度的各方面 因素，并做了相应的补偿措施. 今天短短一节课我们已经慢慢揭开了声音的面纱， 其实并不是想象中那么神秘， 我们完 全可以通过自己的实践探究去发现它的规律， 利用这些规律来为我们的生活更好的服务。 课 后有兴趣的同学可以继续探究声音的秘密， 还有哪些因素影响超声波测距的精准度， 看看我 们能不能自己动手为陆老师解决倒车雷达的烦恼。