利用micro：bit探究物體的失重狀態

李琦

加速度，顧名思義，即速度變化的快慢。當用力踩下汽車油門時，汽車速度突然變快，有著較大的向前的加速度；當輕輕點下油門時，汽車逐漸變快，有著較小的向前加速度；踩下剎車時，速度變慢，此時汽車有著向后的加速度。

正如牛頓第二運動定律所詮釋的，質量一定的物體所受外力越大，加速度越大。當汽車在加速時，人也能感受到椅背的推力，這便是加速度所產生的作用力。〔加速度關系滿足方程：加速度a（米/平方秒）=合力F（牛）/質量m（千克）〕

重力，是一種由萬有引力產生的作用力，質量越大的物體受到的重力越大。重力的測量非常簡單，將彈簧秤在垂直于水平地面放置就能測得到重力的大小。〔重力關系滿足方程：重力G（牛）=質量m（千克）×重力加速度g（9.8米/平方秒）〕

然而，當初學者接觸到重力加速度時，總會有這樣的疑難點：人在靜止的狀態下能輕易感受到重力，但是卻沒有任何加速度，重力為何會與“加速度”有聯系？

比較直觀的解釋是：當物體失去支撐的時候，會以g（9.8米/平方秒）的加速度向下墜落，此時重力產生了作用物體的加速度。

加速度能產生力的作用，重力又能產生重力加速度，那重力是不是能被加速度所抵消呢？答案是肯定的。

經常做升降電梯的人可能會有這樣的經驗：當電梯上升的一剎那，腳會感覺一沉；當電梯即將停止的一剎那，腳底感覺一飄。這種感覺持續的時間并不會很長，也不會很強烈，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（合力變小）的感覺。

順著這個思路，我們再做一個假設：如果讓一個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浮？

我們很難用傳統的彈簧秤來驗證這個假設，因為：①彈簧秤體積太大，無法輕易拋出并安全落地；②力的方向可能來自四面八方，而彈簧秤只能測量單個方向的力，自由落體狀態下很難固定朝向；③彈簧秤振子質量很大，受到力的作用后需要等待振動結束之后才能讀取穩定的數值，無法實時記錄并反饋結果。

但是micro：bit（英國BBC公司聯合微軟、三星、ARM等公司聯合開發幫助學生學習編程的微型電腦）的出現，使得我們能運用其輕松地代替彈簧秤測量加速度，因為①micro：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，能測量上下、前后、左右三個不同方向的加速度；③將這三個方向的加速度疊加就能算出物體所受的合力；④micro：bit能夠將數據實時儲存下來，方便在實驗之后研究結果。

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系，以及在“失重”狀態下物體受到的作用力究竟有多大。

● 實驗一：靜止狀態下“感受”到的重力加速度

重力加速度描述了當物體在僅受重力作用的情況下產生的加速度。當物體靜置的時候，物體并沒有任何的加速度，這是因為地面的支持力與重力加速度產生的重力相抵消。所以測量靜置物體的重力加速度，就能得到其受到的重力的大小。

實驗方法：

在micro：bit中寫入以下python代碼，并利用串口打印進行測試：

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。可以看到，當micro：bit正面向上平放時，輸出的三軸上加速度值如圖1所示。

而把micro：bit豎放時，三軸上加速度值如圖2所示。

不難發現，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3三個軸向上的分量。

當micro：bit正面向上平放時，重力完全作用在z軸上，此時z軸的讀數非常接近重力加速度g。但是當micro：bit的姿態非平放也非豎直放置時，三軸的讀數實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的micro：bit所受的重力值，需要對重力在micro：bit加速度傳感器三個軸向上的分量進行矢量合成并取模。因為三個軸向的加速度矢量兩兩正交，因此，可以用公式g=計算檢測到的重力加速度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，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。

● 實驗二：上下晃動時“感受”到的重力加速度

實驗一驗證了物體在靜止狀態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micro：bit時，產生的這部分加速度是否又會和重力加速度抵消或者疊加呢？endprint

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不斷上下晃動的狀態。可以發現，曲線始終在1000數值上下晃動，正好接近實驗一中測出的靜止狀態下的重力加速度數值。在micro：bit上下運動的過程中，因為加速度的方向不斷改變，板子受到的合力有時大于重力，有時小于重力，即前文所說的“超重”與“失重”狀態。

● 實驗三：將micro：bit拋向空中，觀察其“感受”到的力

現在，我們做一個大膽的嘗試：把micro：bit扔出去，并記錄這個過程中檢測到的加速度值。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去執行（如圖7）。

micro：bit上電后，會在LED矩陣中顯示一次“ready”，然后一直重復顯示“go”，這時候按住按鈕A并準備將它丟出（當然你得為micro： bit準備一個較為柔軟的著陸點，如沙發或者床），脫手之后按鈕A自然就被松開了。一旦按鈕A松開，micro：bit會記錄當前的running time為起始時刻，之后便是有限次的循環計算時間以及加速度值，最后把這些值寫進一個名為“data.txt”的文件中。

● 獲取數據記錄

micro：bit中的數據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，點擊按鈕，此時在下方出現了兩個列表框（如下頁圖8）。

左邊的列表框表示在micro： bit中的文件，現在只需要把data.txt拖拽到右側，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系統中，也可以通過microFS來實現，這里就不具體介紹了。

● 數據分析

因為在寫入數據時加入了制表符（＼t）以及回車換行（＼r＼n），我們可以將data.txt文件中的數據全部復制到Excel中進行處理。一大堆數據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中橫坐標表示扔出后經過的時間（ms），縱坐標表示檢測到的加速度值（mm/s2）。通過對圖表的觀察，我們將micro：bit的經歷分為三個過程：過程一，從0時刻開始到大約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檢測到的加速度值都很小；過程二，大約954毫秒時加速度值突然增大，直到1580毫秒之前都非常不穩定，此過程應該是micro：bit落地后翻滾造成的；過程三，大約1580毫秒后，加速度值穩定在1000左右，此時micro：bit已經停止了翻滾，得到的數值非常接近于地球表面重力加速度值。

● 問題與思考

物體的受力分析一直是高中物理教學中的重點與難點，因為這一知識點不僅包含了物理知識，還需要結合數學中的空間幾何知識。利用micro：bit的加速度傳感器不僅可以直觀驗證一些力學問題，還可以開展很多有意思的探究活動。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受到的最大加速度值探究高空墜落對人體的傷害；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的內存有限，因此通過文件記錄的方式無法滿足記錄大量數據的需求。當然，我們也有解決方案，如使用兩個micro：bit，其中一個將采集到的數據實時通過藍牙發送給另一個，而另一個就負責與計算機進行串口通信并實時將藍牙收到的數據轉發給計算機進行分析處理。

micro：bit不僅僅是一款幫助中小學生愛上編程的智能硬件，更是實施STEM教育的利器。利用micro： bit自帶的傳感器就能做一些科學實驗，如果加上其他擴展模塊，能做的研究項目就更多了，值得在中小學中推廣應用。endprint