2021-8-23 23:44:01 [显示全部楼层]
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[进阶] 开源硬件X物理实验(一) - 自由落体运动测重力加速度

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本帖最后由 gx 于 2021-8-23 23:54 编辑
1590伽利略在比萨斜塔上扔下两个质量不等的小球结果小球同时落地通过这个实验推翻了亚里士多德,物体越重下落越快的观点

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
物理实验一片段一.gif
(模式一:无上位机,直接记录数据即可)

物理实验片段二1080p-2.gif
(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 图片7.png
(根据h-t^2图像求得斜率k,g=2k)

图片1.png
(实验装置细节一)


图片3.png

(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
- LCDLCD1602 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

图片2.png
(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
图片4.png
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
图片5.png
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
图片6.png
释放小球后夹持器两端D8GND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)

MonAugust-202108239359..png
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。
MonAugust-202108231611..png
6. 绘制出height-time散点图,我们可以大概的看出是一条曲线。
MonAugust-202108236523..png

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。
MonAugust-202108232056..png
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。
MonAugust-202108239407..png



MonAugust-202108236694..png
MonAugust-202108231085..png

开源硬件X物理实验(一).zip

31.03 KB, 下载次数: 28

开源硬件X物理实验(一)

hnyzcj  版主

发表于 2021-8-24 10:27:40

8错
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春秋大仙  高级技师

发表于 2021-8-25 10:26:52

非常详细,点赞
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安卓机器人  中级技神

发表于 2021-9-1 10:57:36

Pthon处理数据,OK
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白凡  中级技师

发表于 2021-9-3 09:22:55

66666,牛哇!
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ndqFNC53TIA9  学徒

发表于 2021-9-14 10:48:00

非常实用的项目!
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glwz007  中级技师

发表于 4 天前

666,收藏了!
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