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加速度，顧名思義，即速度變化的快慢。當(dāng)用力踩下汽車油門時(shí)，汽車速度突然變快，有著較大的向前的加速度；當(dāng)輕輕點(diǎn)下油門時(shí)，汽車逐漸變快，有著較小的向前加速度；踩下剎車時(shí)，速度變慢，此時(shí)汽車有著向后的加速度。 正如牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律所詮釋的，質(zhì)量一定的物體所受外力越大，加速度越大。當(dāng)汽車在加速時(shí)，人也能感受到椅背的推力，這便是加速度所產(chǎn)生的作用力?！布铀俣汝P(guān)系滿足方程：加速度a（米/平方秒）=合力F（牛）/質(zhì)量m（千克）〕 重力，是一種由萬有引力產(chǎn)生的作用力，質(zhì)量越大的物體受到的重力越大。重力的測(cè)量非常簡(jiǎn)單，將彈簧秤在垂直于水平地面放置就能測(cè)得到重力的大小?！仓亓﹃P(guān)系滿足方程：重力G（牛）=質(zhì)量m（千克）×重力加速度g（9.8米/平方秒）〕 然而，當(dāng)初學(xué)者接觸到重力加速度時(shí)，總會(huì)有這樣的疑難點(diǎn)：人在靜止的狀態(tài)下能輕易感受到重力，但是卻沒有任何加速度，重力為何會(huì)與“加速度”有聯(lián)系？ 比較直觀的解釋是：當(dāng)物體失去支撐的時(shí)候，會(huì)以g（9.8米/平方秒）的加速度向下墜落，此時(shí)重力產(chǎn)生了作用物體的加速度。 加速度能產(chǎn)生力的作用，重力又能產(chǎn)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。 經(jīng)常做升降電梯的人可能會(huì)有這樣的經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)電梯上升的一剎那，腳會(huì)感覺一沉；當(dāng)電梯即將停止的一剎那，腳底感覺一飄。這種感覺持續(xù)的時(shí)間并不會(huì)很長(zhǎng)，也不會(huì)很強(qiáng)烈，但是這兩種感覺，就是所謂的“超重”與“失重”了。正是電梯上升與下降瞬間的微弱加速度產(chǎn)生的力，與一部分重力疊加或抵消，使乘客有了腳底一沉（合力變大）和腳底一飄（合力變?。┑母杏X。 順著這個(gè)思路，我們?cè)僮鲆粋€(gè)假設(shè)：如果讓一個(gè)裝著物體的盒子自由落體，其向下的重力加速度g（9.8米/平方秒）產(chǎn)生的力是否能和重力完全抵消，使得盒中物體受到的合力為0，從而在盒子里自由漂??？ 我們很難用傳統(tǒng)的彈簧秤來驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，因?yàn)椋孩購椈沙芋w積太大，無法輕易拋出并安全落地；②力的方向可能來自四面八方，而彈簧秤只能測(cè)量單個(gè)方向的力，自由落體狀態(tài)下很難固定朝向；③彈簧秤振子質(zhì)量很大，受到力的作用后需要等待振動(dòng)結(jié)束之后才能讀取穩(wěn)定的數(shù)值，無法實(shí)時(shí)記錄并反饋結(jié)果。 但是micro：bit（英國BBC公司聯(lián)合微軟、三星、ARM等公司聯(lián)合開發(fā)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)編程的微型電腦）的出現(xiàn)，使得我們能運(yùn)用其輕松地代替彈簧秤測(cè)量加速度，因?yàn)棰賛icro：bit非常輕巧，能輕松安全的拋出；②micro：bit板載三軸加速度傳感器，能測(cè)量上下、前后、左右三個(gè)不同方向的加速度；③將這三個(gè)方向的加速度疊加就能算出物體所受的合力；④micro：bit能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存下來，方便在實(shí)驗(yàn)之后研究結(jié)果。 接下來，我們將通過micro：bit來探究重力加速度和加速度之前的關(guān)系，以及在“失重”狀態(tài)下物體受到的作用力究竟有多大。 ● 實(shí)驗(yàn)一：靜止?fàn)顟B(tài)下“感受”到的重力加速度 重力加速度描述了當(dāng)物體在僅受重力作用的情況下產(chǎn)生的加速度。當(dāng)物體靜置的時(shí)候，物體并沒有任何的加速度，這是因?yàn)榈孛娴闹С至εc重力加速度產(chǎn)生的重力相抵消。所以測(cè)量靜置物體的重力加速度，就能得到其受到的重力的大小。 實(shí)驗(yàn)方法： 在micro：bit中寫入以下python代碼，并利用串口打印進(jìn)行測(cè)試： from microbit import * while True： x=accelerometer.get_x（） y=accelerometer.get_y（） z=accelerometer.get_z（） print（"x=%f，y=%f，z=%f" %（x，y，z）） sleep（10） 以上代碼不停地獲取加速度計(jì)x、y、z軸的值，并用格式化字符串的形式在串口上打印出來?？梢钥吹?，當(dāng)micro：bit正面向上平放時(shí)，輸出的三軸上加速度值如圖1所示。 而把micro：bit豎放時(shí)，三軸上加速度值如圖2所示。 不難發(fā)現(xiàn)，加速度傳感器獲取的值并非直接表示物體本身速度的變化方向，而是還包含了一個(gè)g的重力加速度值。而且x、y、z三軸值分別表示重力加速度值在圖3三個(gè)軸向上的分量。 當(dāng)micro：bit正面向上平放時(shí)，重力完全作用在z軸上，此時(shí)z軸的讀數(shù)非常接近重力加速度g。但是當(dāng)micro：bit的姿態(tài)非平放也非豎直放置時(shí)，三軸的讀數(shù)實(shí)際上表示重力分別在三軸上的分量。而為了得到處于各種姿態(tài)的micro：bit所受的重力值，需要對(duì)重力在micro：bit加速度傳感器三個(gè)軸向上的分量進(jìn)行矢量合成并取模。因?yàn)槿齻€(gè)軸向的加速度矢量?jī)蓛烧?，因此，可以用公式g=計(jì)算檢測(cè)到的重力加速度g。 因此，可以將上述python代碼改寫如下： from microbit import * import math while True： x=accelerometer.get_x（） y=accelerometer.get_y（） z=accelerometer.get_z（） g=mathsqrt（x**2+y**2+z**2） print（"%f" %（g）） 程序更新后（如圖4），可以看到無論micro： bit處于何種靜止的姿態(tài)，串口輸出的值都接近于地球表面的重力加速度g的值，即9.8。 ● 實(shí)驗(yàn)二：上下晃動(dòng)時(shí)“感受”到的重力加速度 實(shí)驗(yàn)一驗(yàn)證了物體在靜止?fàn)顟B(tài)下所受到恒定重力作用，以及重力加速度的存在。 那在垂直方向晃動(dòng)micro：bit時(shí)，產(chǎn)生的這部分加速度是否又會(huì)和重力加速度抵消或者疊加呢？ 通過串口繪圖軟件，可以得到如下頁圖5所示的曲線。 曲線記錄了micro：bit不斷上下晃動(dòng)的狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，曲線始終在1000數(shù)值上下晃動(dòng)，正好接近實(shí)驗(yàn)一中測(cè)出的靜止?fàn)顟B(tài)下的重力加速度數(shù)值。在micro：bit上下運(yùn)動(dòng)的過程中，因?yàn)榧铀俣鹊姆较虿粩喔淖儯遄邮艿降暮狭τ袝r(shí)大于重力，有時(shí)小于重力，即前文所說的“超重”與“失重”狀態(tài)。 ● 實(shí)驗(yàn)三：將micro：bit拋向空中，觀察其“感受”到的力 現(xiàn)在，我們做一個(gè)大膽的嘗試：把micro：bit扔出去，并記錄這個(gè)過程中檢測(cè)到的加速度值。micro：bit將要飛行的軌跡大約如圖6所示。 為此，需要如下這樣一段完整的python代碼讓micro：bit去執(zhí)行（如圖7）。 micro：bit上電后，會(huì)在LED矩陣中顯示一次“ready”，然后一直重復(fù)顯示“go”，這時(shí)候按住按鈕A并準(zhǔn)備將它丟出（當(dāng)然你得為micro： bit準(zhǔn)備一個(gè)較為柔軟的著陸點(diǎn)，如沙發(fā)或者床），脫手之后按鈕A自然就被松開了。一旦按鈕A松開，micro：bit會(huì)記錄當(dāng)前的running time為起始時(shí)刻，之后便是有限次的循環(huán)計(jì)算時(shí)間以及加速度值，最后把這些值寫進(jìn)一個(gè)名為“data.txt”的文件中。 ● 獲取數(shù)據(jù)記錄 micro：bit中的數(shù)據(jù)文件保存在它的閃存中，我們可以將micro： bit用USB線連接至電腦，并打開mu，點(diǎn)擊按鈕，此時(shí)在下方出現(xiàn)了兩個(gè)列表框（如下頁圖8）。 左邊的列表框表示在micro： bit中的文件，現(xiàn)在只需要把data.txt拖拽到右側(cè)，就可以在下頁圖9所示的文件夾中找到data.txt了。 在OS或者Linux系統(tǒng)中，也可以通過microFS來實(shí)現(xiàn)，這里就不具體介紹了。 ● 數(shù)據(jù)分析 因?yàn)樵趯懭霐?shù)據(jù)時(shí)加入了制表符（＼t）以及回車換行（＼r＼n），我們可以將data.txt文件中的數(shù)據(jù)全部復(fù)制到Excel中進(jìn)行處理。一大堆數(shù)據(jù)用肉眼肯定沒辦法研究，還是先制作成圖表以便于觀察。 圖10中橫坐標(biāo)表示扔出后經(jīng)過的時(shí)間（ms），縱坐標(biāo)表示檢測(cè)到的加速度值（mm/s2）。通過對(duì)圖表的觀察，我們將micro：bit的經(jīng)歷分為三個(gè)過程：過程一，從0時(shí)刻開始到大約950毫秒，此過程為空中飛行過程，無論是斜向上過程還是斜向下過程，micro：bit檢測(cè)到的加速度值都很??；過程二，大約954毫秒時(shí)加速度值突然增大，直到1580毫秒之前都非常不穩(wěn)定，此過程應(yīng)該是micro：bit落地后翻滾造成的；過程三，大約1580毫秒后，加速度值穩(wěn)定在1000左右，此時(shí)micro：bit已經(jīng)停止了翻滾，得到的數(shù)值非常接近于地球表面重力加速度值。參考論文 ● 問題與思考 物體的受力分析一直是高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，因?yàn)檫@一知識(shí)點(diǎn)不僅包含了物理知識(shí)，還需要結(jié)合數(shù)學(xué)中的空間幾何知識(shí)。利用micro：bit的加速度傳感器不僅可以直觀驗(yàn)證一些力學(xué)問題，還可以開展很多有意思的探究活動(dòng)。例如，把micro：bit放置到人偶中，通過在不同的高度丟下后落地時(shí)受到的最大加速度值探究高空墜落對(duì)人體的傷害；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沖擊有多大等。 micro：bit的內(nèi)存有限，因此通過文件記錄的方式無法滿足記錄大量數(shù)據(jù)的需求。當(dāng)然，我們也有解決方案，如使用兩個(gè)micro：bit，其中一個(gè)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過藍(lán)牙發(fā)送給另一個(gè)，而另一個(gè)就負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信并實(shí)時(shí)將藍(lán)牙收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。 micro：bit不僅僅是一款幫助中小學(xué)生愛上編程的智能硬件，更是實(shí)施STEM教育的利器。利用micro： bit自帶的傳感器就能做一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如果加上其他擴(kuò)展模塊，能做的研究項(xiàng)目就更多了，值得在中小學(xué)中推廣應(yīng)用。 |
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