“2018全國青少年創(chuàng)意編程和智能設(shè)計大賽”已經(jīng)開始了，智能設(shè)計部分參賽作品分為工程應(yīng)用、藝術(shù)設(shè)計和科學(xué)探索三大類型。這里，我們用兩個智能設(shè)計案例，看看Arduino怎樣為經(jīng)典的科學(xué)實驗賦予新的生命。
案例一
用Arduino驗證擺的等時性
擺是高中物理學(xué)習(xí)的一個重點，擺的一個重要性質(zhì)就是在小角度擺動時，擺動周期只與擺繩長度有關(guān)，這個性質(zhì)被稱為“擺的等時性”。這個性質(zhì)是伽利略發(fā)現(xiàn)的，它為后來的擺鐘設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。我們現(xiàn)在可以通過公式的變換證明這個性質(zhì)，但在擺的等時性被發(fā)現(xiàn)之前，伽利略還不知道這些公式，他通過脈搏估算教堂擺鐘的周期頻率，猜測擺具有等時性，再通過多種實驗研究計算出擺等時性的性質(zhì)。
如果十六世紀(jì)有Arduino，那么我們能用什么方法驗證擺的等時性呢？這里的測量有幾個關(guān)鍵點：
時間測量：Arduino內(nèi)置的計時器可以做出毫秒級的時間測量；
啟動裝置：有很多傳感器可以作為啟動裝置，但為了讓實驗盡可能地精確，我們需要選擇非接觸式的傳感器。
我們選擇了紅外傳感器作為啟動裝置，設(shè)計如下裝置：
當(dāng)單擺開始遮擋住LED的光線時，紅外傳感器開始計時，當(dāng)單擺再次遮蓋LED光線時，第一次計時結(jié)束，并啟動第二次計時。
這樣，我們就可以在串口上收集到每次單擺的周期數(shù)據(jù)，檢驗單擺的等時性是否成立。
案例二
用Arduino測量地球質(zhì)量
我們還可以用Arduino重復(fù)一些經(jīng)典的實驗，例如，用Arduino測量地球的質(zhì)量。
地球有多重？這是難題人類思考了上千年。十七世紀(jì)，牛頓的萬有引力公式帶來了測量地球質(zhì)量的曙光。牛頓嘗試過測量地球質(zhì)量，但其中最關(guān)鍵萬有引力常數(shù)G測算的實驗，于是牛頓斷言只有離開地球才能測的地球的質(zhì)量。這個斷言在一個世紀(jì)后被卡文迪許打破了，他巧妙地用扭秤將微小的萬有引力兩次放大，成功測的萬有引力常數(shù)G，并測量出地球的質(zhì)量。
這個科學(xué)探索類項目的難點并不在于怎樣做出多復(fù)雜的設(shè)計，而在于怎樣將復(fù)雜的實驗簡化，轉(zhuǎn)變?yōu)锳rduino可測量的量。這個案例很有代表性，試一試分析它的思路，對你設(shè)計科學(xué)探索類智能設(shè)計項目很有幫助。
這個智能設(shè)計項目的前提是已知道萬有引力常數(shù)G和地球質(zhì)量R，測量地球的質(zhì)量。解決問題的關(guān)鍵在于通過萬有引力公式和牛頓第二定律的聯(lián)立和消元，將不容易用Arduino測量的力F轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓铀俣萭的測量。
理論上講，我們可以用加速度傳感器做自由落體運動來測量重力加速度，但這種方法會遇到各種各樣的問題。例如，如何保證傳感器安全降落、如何在下落過程中收集實驗數(shù)據(jù)等等問題。我們還需要把問題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成我們方便測量的數(shù)據(jù)。
在中學(xué)物理我們都學(xué)到，我們可以用時間和距離來計算出加速度。距離是一個很好控制的變量，而Arduino多種傳感器可以作為時間測量的輔助工具。
不管測量的是力，還是加速度、時間，用Arduino設(shè)計科學(xué)實驗的主要思路就在于把不容易測量的量轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖銣y量的量，從而計算出我們需要的數(shù)據(jù)。
那么，怎么測量時間呢？思路還是用傳感器控制測量的開始和結(jié)束。跟上一個實驗一樣，我們可以用紅外傳感器作為時間測量的起始，但紅外傳感器并不適合結(jié)束時間的測量，這里我們選用壓電傳感器，一旦小球擊中壓電傳感器，便會自動結(jié)束計時。
Arduino主控板收集到時間的數(shù)據(jù)，便能夠通過函數(shù)，計算出地球的質(zhì)量。我們可以將它與權(quán)威數(shù)據(jù)相比較，看一看它的誤差有多少，想一想，它的誤差出現(xiàn)在什么地方，用什么方法可以改進(jìn)。
除了用Arduino重現(xiàn)經(jīng)典實驗，我們還能怎樣用智能設(shè)計幫助我們探索科學(xué)呢？點擊下面小程序?qū)W習(xí)《2018全國青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計大賽慕課》之“智能設(shè)計”吧！點擊閱讀原文還可以報名參賽哦。
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