應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)自由落體測量重力加速度實驗

劉 琳

（蕪湖機(jī)械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200）

0 引 言

自由落體測量重力加速度是物理學(xué)中一個不可或缺的重要實驗。其傳統(tǒng)方法是讓小球自由下落，測量其下落的上端高度h1、全程高度h2和上端時間t1、全程時間t2，再由公式g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1)計算得出實驗結(jié)果。其實驗裝置主要由測量支架、三路光電門、電磁鐵、小鐵球、鉛垂線、接球盒和電子計時器組成。實驗需要人工記錄實驗數(shù)據(jù)，并需要進(jìn)行復(fù)雜計算，其陳舊方法容易導(dǎo)致人為誤差。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進(jìn)自由落體測量重力加速度實驗裝置、開發(fā)相應(yīng)軟件，不僅方便快捷、大幅提高了實驗效率，而且能充分保障實驗數(shù)據(jù)的精度[1]。

1 改進(jìn)思路

傳統(tǒng)自由落體測量重力加速度實驗裝置中，核心部件為電子計時器，用以測量和顯示小球下落的時間數(shù)據(jù)，其技術(shù)功能是應(yīng)用單片機(jī)電路及其相應(yīng)程序代碼實現(xiàn)。為進(jìn)一步簡化實驗操作步驟、提升教學(xué)信息化水平，可在單片機(jī)輸出端增設(shè)藍(lán)牙電路，由此將測得的時間數(shù)據(jù)無線發(fā)送到手機(jī)，讓實驗專用APP自動計算和存儲實驗數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動化處理[2]。改進(jìn)后的實驗裝置結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的實驗裝置結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程

2 實現(xiàn)技術(shù)

2.1 藍(lán)牙電路設(shè)計

藍(lán)牙電路采用DX-BT04-E芯片，以廠家數(shù)據(jù)手冊推薦的典型電路構(gòu)建最小系統(tǒng)，其電路如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙電路

圖中S2為復(fù)位按鈕，發(fā)光二極管D4與D6為工作狀態(tài)指示燈。芯片的13引腳接入3.3 V電源，21和22引腳分別為藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)接收端（RXD）和發(fā)送端（TXD），它們交叉連接單片機(jī)的發(fā)送端和接收端[3]，如圖3所示。

圖3 模塊連接示意圖

2.2 實驗APP設(shè)計

（1）APP結(jié)構(gòu)功能

根據(jù)實驗需要，APP應(yīng)該具備實驗環(huán)境監(jiān)測、藍(lán)牙設(shè)備管理、環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理與維護(hù)功能，其架構(gòu)與運作流程如圖4所示[4]。

圖4 實驗APP結(jié)構(gòu)與運作流程

（2）藍(lán)牙設(shè)置

實驗APP由Android Studio環(huán)境開發(fā)，其主界面用于藍(lán)牙開啟及連接狀態(tài)顯示、藍(lán)牙設(shè)置、實驗環(huán)境數(shù)據(jù)輸入和實驗數(shù)據(jù)顯示，如圖5所示[5]。

圖5 實驗APP主界面

在起始界面，系統(tǒng)檢測并報告本地藍(lán)牙啟用與關(guān)閉狀態(tài)，并實時顯示日期和時間數(shù)據(jù)。實驗地點默認(rèn)顯示北京地區(qū)，其他數(shù)據(jù)顯示空值，等待輸入或?qū)嶒灚@取。單擊“藍(lán)牙設(shè)置”按鈕，彈出相應(yīng)菜單，如圖6所示。通過“打開藍(lán)牙”命令可以開啟手機(jī)本地藍(lán)牙；通過“連接藍(lán)牙”命令進(jìn)入藍(lán)牙連接界面，如圖7所示。該界面的“掃描設(shè)備”按鈕用于搜索顯示附近所有可以連接的藍(lán)牙設(shè)備；單擊列表顯示的藍(lán)牙即可連接該設(shè)備，同時返回主界面、顯示連接的設(shè)備名稱，如圖8所示。

圖6 藍(lán)牙設(shè)置界面

圖7 掃描設(shè)備界面

圖8 藍(lán)牙連接界面

已經(jīng)連接的設(shè)備可以通過藍(lán)牙設(shè)置菜單命令“斷開連接”。

（3）實驗環(huán)境數(shù)據(jù)輸入

實驗APP在接收數(shù)據(jù)前，需要設(shè)置實驗地點和實驗的上端高度、全程高度3個環(huán)境數(shù)據(jù)。實驗地點下拉列表框列出了全國各地主要城市及對應(yīng)的重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值，單擊即可選擇，如圖9所示。準(zhǔn)確測量實驗支架上3個光電門之間的距離，正確填寫上端高度和全程高度，為實驗數(shù)據(jù)處理做好充分準(zhǔn)備。

圖9 實驗地點下拉框

（4）數(shù)據(jù)處理

連接實驗硬件器材，在小球完成自由下落后單擊“接收數(shù)據(jù)”按鈕，APP接收單片機(jī)測得的時間數(shù)據(jù)，并根據(jù)輸入的環(huán)境數(shù)據(jù)計算、顯示實驗數(shù)據(jù)，如圖10所示[6]。為便于分析管理，每條實驗數(shù)據(jù)都會同時保存到實驗數(shù)據(jù)庫。單擊“清空數(shù)據(jù)”按鈕可以清除數(shù)據(jù)庫中的所有實驗數(shù)據(jù)；單擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕可以將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel文件，便于管理維護(hù)，如圖11所示。

圖10 實驗數(shù)據(jù)顯示界面

圖11 實驗數(shù)據(jù)的Excel界面

2.3 實驗操作步驟

經(jīng)過改進(jìn)后，自由落體測量重力加速度實驗操作步驟簡化如下：

（1）在支架上固定上、中、下3個光電門，并測量其間距；將電磁鐵和光電門連線插入實驗儀對應(yīng)插孔，再接通試驗儀電源。

（2）接通試驗儀上電磁鐵供電開關(guān)，將鉛垂線上端銜鐵吸附電磁鐵定位孔，下端鉛錘自由懸掛，調(diào)節(jié)支架支腳螺釘，確保試驗儀上3個光路指示燈常亮，表明鉛垂線同時穿透三個光電門光路中心，支架鉛垂[7]。

（3）在手機(jī)上打開實驗APP，連接試驗儀藍(lán)牙，選擇實驗地點，輸入上段高度和全程高度。

（4）接通電磁鐵供電開關(guān)，將小球吸附電磁鐵定位槽，斷開電磁鐵電源，讓小球自由下落。

（5）單擊實驗APP“接收數(shù)據(jù)”按鈕，顯示、保存數(shù)據(jù)，完成實驗。重復(fù)吸球、放球、接收數(shù)據(jù)步驟，即可快速得到多次實驗數(shù)據(jù)。調(diào)整光電門間距后實驗，可以得到多組實驗數(shù)據(jù)，方便分析研究[8]。

3 結(jié) 語

應(yīng)用信息技術(shù)改進(jìn)自由落體測量重力加速度實驗，利用APP處理實驗數(shù)據(jù)，操作簡單、方便快捷，大幅提高了實驗效率。它不僅有效提升了教育信息化水平，同時也為教學(xué)設(shè)備器材的改革創(chuàng)新提供了新的思路[9-10]。