利用micro:bit探究物体的失重状态
李琦;李旸;谢作如
【期刊名称】《中国信息技术教育》
【年(卷),期】2017(000)019
【总页数】4页(P61-64)
【作者】李琦;李旸;谢作如
【作者单位】浙江省诸暨市牌头中学;上海蘑菇云创客空间;浙江省温州中学
【正文语种】中文
加速度,顾名思义,即速度变化的快慢。当用力踩下汽车油门时,汽车速度突然变
快,有着较大的向前的加速度;当轻轻点下油门时,汽车逐渐变快,有着较小的向
前加速度;踩下刹车时,速度变慢,此时汽车有着向后的加速度。
正如牛顿第二运动定律所诠释的,质量一定的物体所受外力越大,加速度越大。当
汽车在加速时,人也能感受到椅背的推力,这便是加速度所产生的作用力。〔加速
度关系满足方程:加速度a(米/平方秒)=合力F(牛)/质量m(千克)〕
重力,是一种由万有引力产生的作用力,质量越大的物体受到的重力越大。重力的
测量非常简单,将弹簧秤在垂直于水平地面放置就能测得到重力的大小。〔重力关
系满足方程:重力G(牛)=质量m(千克)×重力加速度g(9.8米/平方秒)〕
然而,当初学者接触到重力加速度时,总会有这样的疑难点:人在静止的状态下能
轻易感受到重力,但是却没有任何加速度,重力为何会与“加速度”有联系?
比较直观的解释是:当物体失去支撑的时候,会以g(9.8米/平方秒)的加速度向
下坠落,此时重力产生了作用物体的加速度。
加速度能产生力的作用,重力又能产生重力加速度,那重力是不是能被加速度所抵
消呢?答案是肯定的。
经常做升降电梯的人可能会有这样的经验:当电梯上升的一刹那,脚会感觉一沉;
当电梯即将停止的一刹那,脚底感觉一飘。这种感觉持续的时间并不会很长,也不
会很强烈,但是这两种感觉,就是所谓的“超重”与“失重”了。正是电梯上升与
下降瞬间的微弱加速度产生的力,与一部分重力叠加或抵消,使乘客有了脚底一沉
(合力变大)和脚底一飘(合力变小)的感觉。
顺着这个思路,我们再做一个假设:如果让一个装着物体的盒子自由落体,其向下
的重力加速度g(9.8米/平方秒)产生的力是否能和重力完全抵消,使得盒中物体
受到的合力为0,从而在盒子里自由漂浮?
我们很难用传统的弹簧秤来验证这个假设,因为:①弹簧秤体积太大,无法轻易抛
出并安全落地;②力的方向可能来自四面八方,而弹簧秤只能测量单个方向的力,
自由落体状态下很难固定朝向;③弹簧秤振子质量很大,受到力的作用后需要等待
振动结束之后才能读取稳定的数值,无法实时记录并反馈结果。
但是micro:bit(英国BBC公司联合微软、三星、ARM等公司联合开发帮助学
生学习编程的微型电脑)的出现,使得我们能运用其轻松地代替弹簧秤测量加速度,
因为①micro:bit非常轻巧,能轻松安全的抛出;②micro:bit板载三轴加速度
传感器,能测量上下、前后、左右三个不同方向的加速度;③将这三个方向的加速
度叠加就能算出物体所受的合力;④micro:bit能够将数据实时储存下来,方便
在实验之后研究结果。
接下来,我们将通过micro:bit来探究重力加速度和加速度之前的关系,以及在
“失重”状态下物体受到的作用力究竟有多大。
重力加速度描述了当物体在仅受重力作用的情况下产生的加速度。当物体静置的时
候,物体并没有任何的加速度,这是因为地面的支持力与重力加速度产生的重力相
抵消。所以测量静置物体的重力加速度,就能得到其受到的重力的大小。
实验方法:
在micro:bit中写入以下python代码,并利用串口打印进行测试:
以上代码不停地获取加速度计x、y、z轴的值,并用格式化字符串的形式在串口
上打印出来。可以看到,当micro:bit正面向上平放时,输出的三轴上加速度值
如图1所示。
而把micro:bit竖放时,三轴上加速度值如图2所示。
不难发现,加速度传感器获取的值并非直接表示物体本身速度的变化方向,而是还
包含了一个g的重力加速度值。而且x、y、z三轴值分别表示重力加速度值在图
3三个轴向上的分量。
当micro:bit正面向上平放时,重力完全作用在z轴上,此时z轴的读数非常接
近重力加速度g。但是当micro:bit的姿态非平放也非竖直放置时,三轴的读数
实际上表示重力分别在三轴上的分量。而为了得到处于各种姿态的micro:bit所
受的重力值,需要对重力在micro:bit加速度传感器三个轴向上的分量进行矢量
合成并取模。因为三个轴向的加速度矢量两两正交,因此,可以用公式g=计算检
测到的重力加速度g。
因此,可以将上述python代码改写如下:
程序更新后(如图4),可以看到无论micro:bit处于何种静止的姿态,串口输
出的值都接近于地球表面的重力加速度g的值,即9.8。
实验一验证了物体在静止状态下所受到恒定重力作用,以及重力加速度的存在。
那在垂直方向晃动micro:bit时,产生的这部分加速度是否又会和重力加速度抵
消或者叠加呢?
通过串口绘图软件,可以得到如下页图5所示的曲线。
曲线记录了micro:bit不断上下晃动的状态。可以发现,曲线始终在1000数值
上下晃动,正好接近实验一中测出的静止状态下的重力加速度数值。在micro:
bit上下运动的过程中,因为加速度的方向不断改变,板子受到的合力有时大于重
力,有时小于重力,即前文所说的“超重”与“失重”状态。
现在,我们做一个大胆的尝试:把micro:bit扔出去,并记录这个过程中检测到
的加速度值。micro:bit将要飞行的轨迹大约如图6所示。
为此,需要如下这样一段完整的python代码让micro:bit去执行(如图7)。
micro:bit上电后,会在LED矩阵中显示一次“ready”,然后一直重复显示
“go”,这时候按住按钮A并准备将它丢出(当然你得为micro:bit准备一个
较为柔软的着陆点,如沙发或者床),脱手之后按钮A自然就被松开了。一旦按
钮A松开,micro:bit会记录当前的runningtime为起始时刻,之后便是有限
次的循环计算时间以及加速度值,最后把这些值写进一个名为“”的文件
中。
micro:bit中的数据文件保存在它的闪存中,我们可以将micro:bit用USB线
连接至电脑,并打开mu,点击按钮,此时在下方出现了两个列表框(如下页图
8)。
左边的列表框表示在micro:bit中的文件,现在只需要把拖拽到右侧,
就可以在下页图9所示的文件夹中找到了。
在OS或者Linux系统中,也可以通过microFS来实现,这里就不具体介绍了。
因为在写入数据时加入了制表符(t)以及回车换行(rn),我们可以将文
件中的数据全部复制到Excel中进行处理。一大堆数据用肉眼肯定没办法研究,还
是先制作成图表以便于观察。
图10中横坐标表示扔出后经过的时间(ms),纵坐标表示检测到的加速度值
(mm/s2)。通过对图表的观察,我们将micro:bit的经历分为三个过程:过程
一,从0时刻开始到大约950毫秒,此过程为空中飞行过程,无论是斜向上过程
还是斜向下过程,micro:bit检测到的加速度值都很小;过程二,大约954毫秒
时加速度值突然增大,直到1580毫秒之前都非常不稳定,此过程应该是micro:
bit落地后翻滚造成的;过程三,大约1580毫秒后,加速度值稳定在1000左右,
此时micro:bit已经停止了翻滚,得到的数值非常接近于地球表面重力加速度值。
物体的受力分析一直是高中物理教学中的重点与难点,因为这一知识点不仅包含了
物理知识,还需要结合数学中的空间几何知识。利用micro:bit的加速度传感器
不仅可以直观验证一些力学问题,还可以开展很多有意思的探究活动。例如,把
micro:bit放置到人偶中,通过在不同的高度丢下后落地时受到的最大加速度值
探究高空坠落对人体的伤害;也可以在相同的高度用不同的方式落水,探究不同落
水方式中人受到的加速度冲击有多大等。
micro:bit的内存有限,因此通过文件记录的方式无法满足记录大量数据的需求。
当然,我们也有解决方案,如使用两个micro:bit,其中一个将采集到的数据实
时通过蓝牙发送给另一个,而另一个就负责与计算机进行串口通信并实时将蓝牙收
到的数据转发给计算机进行分析处理。
micro:bit不仅仅是一款帮助中小学生爱上编程的智能硬件,更是实施STEM教
育的利器。利用micro:bit自带的传感器就能做一些科学实验,如果加上其他扩
展模块,能做的研究项目就更多了,值得在中小学中推广应用。
本文发布于:2022-12-08 04:16:17,感谢您对本站的认可!
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