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(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)，并需要進行復雜計算，其陳舊方法容易導致人為誤差。應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改進自由落體測量重力加速度實驗裝置、開發(fā)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(shù)據(jù)的精度[1]。

1 改進思路

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)功能是應用單片機電路及其相應程序代碼實現(xiàn)。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(shè)藍牙電路，由此將測得的時間數(shù)據(jù)無線發(fā)送到手機，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 藍牙電路設(shè)計

藍牙電路采用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 藍牙電路

圖中S2為復位按鈕，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應該具備實驗環(huán)境監(jiān)測、藍牙設(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）藍牙設(shè)置

實驗APP由Android Studio環(huán)境開發(fā)，其主界面用于藍牙開啟及連接狀態(tài)顯示、藍牙設(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“藍牙設(shè)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(shè)備”按鈕用于搜索顯示附近所有可以連接的藍牙設(shè)備；單擊列表顯示的藍牙即可連接該設(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 藍牙設(shè)置界面

圖7 掃描設(shè)備界面

圖8 藍牙連接界面

已經(jīng)連接的設(shè)備可以通過藍牙設(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(shù)據(jù)處理做好充分準備。

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“導出數(shù)據(jù)”按鈕可以將實驗數(shù)據(jù)導出為Excel文件，便于管理維護，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(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(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

應用信息技術(shù)改進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，同時也為教學設(shè)備器材的改革創(chuàng)新提供了新的思路[9-10]。