應用物聯網技術改進自由落體測量重力加速度實驗

劉 琳

（蕪湖機械工程學校，安徽 蕪湖 241200）

0 引 言

自由落體測量重力加速度是物理學中一個不可或缺的重要實驗。其傳統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據，并需要進行復雜計算，其陳舊方法容易導致人為誤差。應用物聯網技術改進自由落體測量重力加速度實驗裝置、開發相應軟件，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據的精度[1]。

1 改進思路

傳統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據，其技術功能是應用單片機電路及其相應程序代碼實現。為進一步簡化實驗操作步驟、提升教學信息化水平，可在單片機輸出端增設藍牙電路，由此將測得的時間數據無線發送到手機，讓實驗專用APP自動計算和存儲實驗數據，從而實現實驗數據的自動化處理[2]。改進后的實驗裝置結構與數據流程如圖1所示。

圖1 改進后的實驗裝置結構與數據流程

2 實現技術

2.1 藍牙電路設計

藍牙電路采用DX-BT04-E芯片，以廠家數據手冊推薦的典型電路構建最小系統，其電路如圖2所示。

圖2 藍牙電路

圖中S2為復位按鈕，發光二極管D4與D6為工作狀態指示燈。芯片的13引腳接入3.3 V電源，21和22引腳分別為藍牙模塊的數據接收端（RXD）和發送端（TXD），它們交叉連接單片機的發送端和接收端[3]，如圖3所示。

圖3 模塊連接示意圖

2.2 實驗APP設計

（1）APP結構功能

根據實驗需要，APP應該具備實驗環境監測、藍牙設備管理、環境數據設置和數據處理與維護功能，其架構與運作流程如圖4所示[4]。

圖4 實驗APP結構與運作流程

（2）藍牙設置

實驗APP由Android Studio環境開發，其主界面用于藍牙開啟及連接狀態顯示、藍牙設置、實驗環境數據輸入和實驗數據顯示，如圖5所示[5]。

圖5 實驗APP主界面

在起始界面，系統檢測并報告本地藍牙啟用與關閉狀態，并實時顯示日期和時間數據。實驗地點默認顯示北京地區，其他數據顯示空值，等待輸入或實驗獲取。單擊“藍牙設置”按鈕，彈出相應菜單，如圖6所示。通過“打開藍牙”命令可以開啟手機本地藍牙；通過“連接藍牙”命令進入藍牙連接界面，如圖7所示。該界面的“掃描設備”按鈕用于搜索顯示附近所有可以連接的藍牙設備；單擊列表顯示的藍牙即可連接該設備，同時返回主界面、顯示連接的設備名稱，如圖8所示。

圖6 藍牙設置界面

圖7 掃描設備界面

圖8 藍牙連接界面

已經連接的設備可以通過藍牙設置菜單命令“斷開連接”。

（3）實驗環境數據輸入

實驗APP在接收數據前，需要設置實驗地點和實驗的上端高度、全程高度3個環境數據。實驗地點下拉列表框列出了全國各地主要城市及對應的重力加速度標準值，單擊即可選擇，如圖9所示。準確測量實驗支架上3個光電門之間的距離，正確填寫上端高度和全程高度，為實驗數據處理做好充分準備。

圖9 實驗地點下拉框

（4）數據處理

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

圖10 實驗數據顯示界面

圖11 實驗數據的Excel界面

2.3 實驗操作步驟

經過改進后，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插孔，再接通試驗儀電源。

（2）接通試驗儀上電磁鐵供電開關，將鉛垂線上端銜鐵吸附電磁鐵定位孔，下端鉛錘自由懸掛，調節支架支腳螺釘，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）在手機上打開實驗APP，連接試驗儀藍牙，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，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“接收數據”按鈕，顯示、保存數據，完成實驗。重復吸球、放球、接收數據步驟，即可快速得到多次實驗數據。調整光電門間距后實驗，可以得到多組實驗數據，方便分析研究[8]。

3 結 語

應用信息技術改進自由落體測量重力加速度實驗，利用APP處理實驗數據，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，同時也為教學設備器材的改革創新提供了新的思路[9-10]。