开源硬件X物理实验（一） - 自由落体运动测重力加速度
2021-08-231.8万
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本文介绍了一个基于Arduino主控板的自由落体运动实验，通过测量不同高度下的下落时间，利用Python进行数据处理和拟合，最终计算出重力加速度。实验装置包括超声波传感器、震动传感器和自制夹持器。通过这个实验，学生可以直观地理解自由落体运动的原理，并掌握数据处理的方法。
实验目标： 通过使用Arduino主控板与一些传感器，测得自由落体运动中一些物理量（下落高度及下落时间），实验数据将被收集至上位机，通过一些常用的python数据处理的方式计算求得重力加速度。  （模式一：无上位机，直接记录数据即可）  （模式二：数据通过串口上传至电脑，通过python来做数据处理） 实验介绍： 自由落体定义，物体的最初状态是静止的，物体下落中假定除了重力外不受其它力（如：空气阻力）的作用。它下落的路程的长度h与经过的时间t关系为 h=1/2gt^2 在这个实验中，我们将测量在不同的高度h下的下落时间t，可以通过多组数据作出h-t^2图像，拟合得到的直线斜率k=1/2g，从而求出重力加速度g=2k。  （根据h-t^2图像求得斜率k，g=2k)  （实验装置细节一）  （实验装置细节二） 实验装置介绍及接线方式： - 主控板，Romeo BLE mini （可以换成其他arduino主控） - 按键，数字大按钮模块 - D3 - LCD，LCD1602 RGB彩色背光液晶屏（可选，如果不需要python做处理数据和分析，可直接通过LCD记录数据。）- I2C - 超声波，URM37 超声波测距传感器（可选，调节高度后可以用米尺来测距。）- ECHO-10 TRIG- 11 - 震动传感器，压电陶瓷震动传感器。（安装在一个EVA泡沫中，用于增大碰撞面积。）-D2 - 夹持器（自制，导电铜箔胶带）-D8  （实验装置细节三） 在这个实验中，有两个时间点需要记录，小球释放的时间点和小球落地时间。小球落地时间点是通过振动传感器检测撞击。小球释放的时间点是通过检测夹持器上的信号。具体原理如下，  夹持器夹具两端贴有导电铜箔胶带，一端连信号线（D8），另一段连接GND。小球为金属材质，具有导电性。 D8引脚被设置为了输入上拉（input pull-up）模式，因此当金属球没有被放置时，处于高电平。  加持小球时，由于金属小球具有导电性，类似于一根导线，信号端D8直连GND，信号从高电平变为低电平。  释放小球后，夹持器两端D8和GND断开，D8引脚信号从低电平变为高电平。（小球释放的信号，此刻的时间点会被记录下来。） 实验原理： 1. 超声波传感器用于测量当前的高度（h）。 2. 夹持器用于检测金属球是否被释放。当金属球被释放后开始计时（记录释放时间t1）。 3. 震动传感器用于检测金属球的撞击，当金属球撞击到震动传感器后，停止计时(记录撞击时间t2)。 4. LCD显示下落高度h及下落时间（t2-t1），同时数据通过串口传给电脑。电脑端的程序会以csv的格式保存，记录下落高度和下落时间。（如果不需要通过电脑来做数据拟合，可以直接通过LCD获取高度和下落时间，然后通过手工作图来求斜率） （采集的数据可能会存在一些比较离谱数值，需要通过预处理的方式将离群点去除，这里不展开讲，直接使用的是预处理好的数据通过线性回归来计算得到斜率）  （电脑端的程序会以csv的格式保存） 5. 导入以下几个常用的库文件，LinearRegression是sklearn中线性回归模型。  6. 绘制出height-time散点图，我们可以大概的看出是一条曲线。  7. 通过线性回归的方式，拟合出一条最好的直线。而这条直线的斜率k = 1/2g。  8. 计算得到斜率k后，我们就可以求出重力加速度g了，由于记录数据的单位为厘米，因此需要转化为米。  |
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开源硬件X物理实验(一)
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