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红 外 测 速 仪
基于人工智能与红外光电开关的自动测速仪
C O N T E N T S
目 录
01 作 品 设 计 思 路 与 计 划
02 作 品 创 新 点
03 材 料 清 单
04 制 作 过 程
05 成 果 呈 现
01
作 品 设 计 思 路 与 计 划
u 作品背景 u 系统构成与设计要求 u 应用场景
速度，一个与我们的日常生活息息相关的物理量，小到上学时的步行速度大到奥林匹克运动
会上的百米竞速，都是速度的表现方式。瞬时速度公式在物理学和工程学中的应用非常广泛。
例如，在汽车制造业中，我们需要知道车辆在某个时刻的速度，这样我们才能更好地改进汽车
的设计。此外，在工程领域，工程师需要知道机器在某个时刻的速度，这样才能更好地维护和
保养机器。
微积分在实际中的应用非常广泛，它可以用于解决各种问题。例如，在金融领域，我们可以
用微积分来计算股票的收益率和波动率。在医学领域，我们可以用微积分来计算心脏的工作以
及药物在人体内的代谢过程。此外，在地球科学领域，微积分可以用于计算地球上的高度或者
海平面的变化。
在一次咨询调查中，我偶然听一名被调查同学提到了瞬时速度，这一点令我回忆起利用瞬
时速度解析微积分。这使我想利用电子设备设计一个实验，用以验证微积分对瞬时速度的解析，
及瞬时速度的公式
作品背景
u微积分是数学的一个重要分支，包括微分（Differentiation）和积分（Integration）
两个部分。内容主要包括极限、微分学、积分学及其应用。微分用于研究函数在某一
点处的变化率，而积分则用于求出函数所占据的面积或者体积。微积分的核心思想是
将一个复杂的问题分解成许多小问题，并通过处理这些小问题来得出答案。其中，微
分部分的一个重要应用就是瞬时速度公式。
u微积分中的瞬时速度公式表达式为：v(t) = lim (h->0) [f(t+h)-f(t)]/h。其中，
v(t)表示在时间t时刻的瞬时速度，f(t)表示一个物体在时间t时刻的位置。这个公式
告诉我们，如果我们知道一个物体在某一个时刻的位置，那么我们就能通过微积分的
概念来计算它在该时刻的瞬时速度。
u假设一段物体进行匀加速直线运动的位移，利用微积分思想，将这一段路程微分为无
数段的小路程，单一研究其中一段。此时，该段路程的瞬时速度加上加速度再乘与时
间，即为该段路程的长度。此时这段小路程是一段路程微分为无数小路程后取其中一
段，所以时间也被微分至极小，直至此时加速度的影响极小，可忽略。将此时的平均
速度视为瞬时速度。
u为验证这一猜想，设计一个实验。在斜面上安装四个光电开关，将斜面分为等距的几
段路程。光电开关测小车的遮光时间作为，将小车自静止放下，如果满足第一个光电
开关测得V12比第二个光电开关测得V22比第三个光电开关测得V32为1：2：3。则这一瞬
时速度表示公式可行。
作品设计
u 作品坚固、美观
u 操作方便、简单
u 测量数据准确
设计要求系统构成
中学生物理实验室
用于中学生有关数学微积分及物理
瞬时速度的猜想验证以及实验探究
作品应用场景
02作 品 创 新 点
作品创新点
结 合 实 际 操 作 简 单 教 学 方 便 结 果 清 晰
与生活实际相结合
教学容易理解 传感器自动测量数据
操作简单
数据会显示在掌控
板屏幕上
学生学习容易
实验进行对比
结果容易得出
03
材 料 清 单
材料清单
序
号 设备 连接针脚 数据 备注 数量
1 掌控板2.0 长度 主控 1
2 I/O扩展板 连接外置传感器 1
3
M18漫反射
红外线可调
距光电开关
P13、P15 时间 自动测量 2
4 其他材料：5mm椴木板、若干杜邦线
合计
04
制 作 过 程
咨询调研 草图设计
一、初步构思
激光切割
硬件连接
二、作品设计
三、模型制造
四、编程设计
掌控版图形化编程
掌控板代码编程
掌控板代码编程
五、成品调试
05
成 果 呈 现
实验及数据：16dfda679333e6a1d54a1d68fd33faa2.mp4
序号 高度1 高度2
1 2 1 2
速度1 1.25m/s 1.23m/s 3.46m/s 3.40m/s
速度2 1.80m/s 1.82m/s 4.90m/s 4.94m/s
速度3 2.17m/s 2.21m/s 5.99m/s 6.02m/s
作
品
相
片
u 本设计使用的是用作教学的独立智能硬件，
成本较高，如果需要产品化设计，可以使
用价格较低的普通硬件。
u 目前这一装置可进行的实验较少，可以可
以考虑从红外的特点进行特化性改造，使
之可以进行更多的中学实验。
u 实体采用激光切割的木板，外形不够美观，
可以考虑使用塑胶等材质制作外壳。
u 光电开关之间存在间距等，测量计算存在
误差。
u 不足之处
创造离不开实践，当前情况下我的大部分知
识与经验都来自于前人的实践。然而“实践
出真知”，只有切身经历了创造实践这一过
程才能真正发现问题所在，积累经验。
例如：在创作过程中，代码的编辑，模型的
设计或多或少都存在一些小问题，但在指导
老师的帮助下，都妥善解决了。经过这一次
实践，我学习到了许多课上未教的知识，培
养了更坚毅的内心，以及坚定了为科学献身
的决心。
u 心得体会
创作总结
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感谢老师的指导
谢 谢 聆 听
——
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