用Raspberrypi进行物理实验（上）

大家有没有玩过“跳楼机”？ 玩家从一个高位自由下坠，感受一下“ free falling ”，十分刺激，这种感觉主要来自“重力加速度”。今期文章将会介绍，利用 Raspberry Pi 来进行一个量度重力加速度的物理实验。

过程中先要自制一个电磁铁，并以 Raspberry Pi 控制继电器。此外，以另一个预设的电源来供电给电磁铁以产生磁力，吸著金属小球。当中断电源时，电磁铁没有吸力，金属小球亦会由高处跌下， Raspberry Pi 会记录金属小球下坠的时间，从而计算出重力加速度。

实验与高中课程

在高中的物理课堂中，有一课是涉及“力和运动”，当中提及到“重力加速度”。 这是有关物体下坠时，受地球的重力影响而加速，我们一般会以 g 来表示。在不考虑空气阻力的情况下，理论上 g 的值是 9.81ms-2。

首先，我们考虑物件位移 s 和时间 t 的关系公式：

公式中的 u 是物件的初始速度，如果物件从静止的状态下坠， u=0 我们便可以得出下列公式：

实验中，让物件从静止的状态下坠（初始速度 u=0 ），然后利用 Raspberry Pi 量度到物件下坠的距离及时间，就可以利用上述公式计算出重力加速度。

相关实验器材设定

所需的材料有五项，包括电磁铁、继电器、 Raspberry pi 、 MCP3008 （模拟数码转换器）及压电陶瓷蜂鸣片，共五个组件。
连接方式与实物如下图：

材料连接模拟图

制作电磁铁

首先要预备制作电磁铁的材料，包括漆皮线、两吋扁头螺丝及水磨砂纸。
步骤非常简单，先将漆皮线绕在扁头螺丝上，大约 200 圈，因为我们需要这电磁铁吸著金属小球，所以不需要理会电磁铁的磁极。之后用水磨砂纸把漆皮线两边的漆皮磨去，用以接驳电芯就完成了。

漆皮线绕在扁头螺丝上约 200 圈。

完成后，可以测试一下电磁铁的吸力，建议可以接驳 6 粒 AA 电芯，就可以
吸著一个约 4mm 的金属小球了。注意在每次测试的时候，只让电流通过电池铁约两至三秒，紧记通电时间不要过长，否则会产生过多的热力，引致危险。

用继电器控制电磁铁

接着因为 Raspberry Pi 所提供的 3.3V 或 5V 的接口，只适宜用使用在控制电路上，故不宜用来供电给电磁铁，所以我们会利用继电器来控制电磁铁的开关。

继电器的接驳说明。

Raspberry Pi 与面包板的接驳。

继电器实际接驳情况。

让 Raspberry Pi 感应金属球坠下

当金属球由高处坠下，撞击到下面的木板时，会产生震荡，利用此震荡讯号来确认金属球已下坠到该点。我们可以利用压电陶瓷蜂鸣片或压电式感测器（ Piezo sensor ），贴在木板上，就可以侦测到震荡讯号。当金属球由高处坠下，撞击到木板时，所产生的震荡便会使蜂鸣片弯曲，继而产生电压。

压电陶瓷蜂鸣片样本接线方式如图。

蜂鸣片贴在木板底部，木板面上的“x”位置预计为金属小球下坠的位置。

下星期再续…