基于LEGOEV3的單擺測量重力加速度實驗設計

賀思源

摘 要利用單擺測量重力加速度實驗是高中物理一項重要的實驗內容。實驗中，通常使用秒表測量單擺運動時間，人工計數(shù)擺動次數(shù)，該方法簡單有效，但由于人為因素的影響，往往使單擺的運動周期測量產(chǎn)生較大誤差，從而使重力加速度的測量出現(xiàn)較大偏差。為減小該方法所帶來的測量誤差，本文提出了一種利用LEGO EV3控制模塊和顏色傳感器，通過RobotC編程進行單擺重力加速度測量的方案，實驗證明該方法能夠有效降低了測量誤差，提高了測量的精度。

【關鍵詞】單擺實驗 LEGO EV3 RobotC編程

1 引言

在利用單擺測量重力加速度的實驗中，需要測量單擺的運動周期。通常的方法是人工計數(shù)擺球運動周期次數(shù)，利用秒表計總時間，最后根據(jù)公式（1）求出單擺的運動周期。

（1）

式中T為單擺運動周期，N為單擺的運動周期數(shù)， 為運動總時間。求出T后，根據(jù)公式（2）即可求得重力加速度g。

（2）

在該實驗中，由于是人工使用秒表計時，計時的起點位置和終點位置不可能完全重合，會引起T產(chǎn)生較大誤差，從而給g的測量帶來較大誤差。

2 方案設計

為了減小單擺運動周期測不準所引起的誤差，就需要改變計時方法，提高擺球運動周期的測量精度。為此，利用LEGO EV3控制器及其顏色傳感器設計了一種自動測量單擺運動周期，計算重力加速度的實驗方案。

LEGO EV3是一款可編程Lego機器人控制器，有4個傳感器輸入端口和4個輸出端口，支持USB、藍牙、Wi-Fi與電腦通迅。4個傳感器輸入端口可以連接超聲波傳感器（45504）、顏色傳感器（45506）、陀螺儀（45505）和觸碰傳感器（45507），其中顏色傳感器不僅可以測量物體的顏色，還可以像光電傳感器一樣測量光的反射值。

在新的單擺法測量重力加速度實驗方案中，保持單擺裝置不變，取消了秒表，增加LEGO EV3控制器和顏色傳感器等實驗器材。實驗中，通過LEGO EV3控制器控制顏色傳感器，測量單擺的擺球經(jīng)過顏色傳感器時反射光的變化，計數(shù)擺球的擺動次數(shù)，同時對擺球運動計時，然后根據(jù)擺動次數(shù)和時間自動計算單擺的運動周期和重力加速度值，并在LEGO EV3控制器上顯示出周期T、單擺運動時間t和重力加速度g。

3 程序設計

使用LEGO EV3控制器控制顏色傳感器進行單擺重力加速度測量之前，首先需要進行測量程序的設計，對LEGO EV3 進行編程，編寫自動完成T和g測量的程序。有多種編程語言支持對LEGO EV3 編程，如基于LabView的圖形化編程語言，RobotC，LeJos等。這里采用RobotC進行該實驗程序的編寫，RobotC是由卡耐基梅隆大學機器人學院開發(fā)的基于C語言的一種機器人專用語言，可支持多種機器人平臺。

測量程序首先進行初始化，為顏色傳感器分配輸入端口，并設置計時器；控制顏色傳感器測量反射光的變化；根據(jù)顏色傳感器的測量結果和計時器的值，自動計算T和g，并在LEGO EV3的顯示屏上顯示出來。測量測序流程如圖1所示。

在使用RobotC編寫控制程序時，首先需要在RobotC開發(fā)環(huán)境中選擇平臺類型（Platform Type），如LEGO Mindstorms EV3和LEGO Mindstrorms NXT。這里采用的是LEGO EV3，所以要將平臺類型設為LEGO Mindstorms EV3；然后設置傳感器端口，按照顏色傳感器連接到的端口進行相應的設置；設置完成后，即可進行程序的編制。程序編寫完成后，使用RobotC的編譯器（Compile Program）對程序進行編譯，編譯通過后，通過固件下載（Firmware Download）功能將程序下載到LEGO EV3，按下啟動按鍵，程序開始運行，LEGO EV3自動進行單擺運動周期測量和重力加速度的測量。

4 實驗步驟

首先讓擺球處于靜止狀態(tài)并保持在M點處（如圖1），將顏色傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到LEGO EV3的輸入端口上，并將其對準擺球中心，使擺球和顏色傳感器的處于同一水平面上。為保證顏色傳感器能有效探測和識別擺球，擺球與顏色傳感器之間的距離應保持在1cm之內。將擺球偏離靜止位置一定角度（不大于10°），放開擺球，讓擺球在垂直平面上運動，且該平面垂直于M點與顏色傳感器的連線。

啟動已下載到LEGO EV3中的單擺加速度測量程序，LEGO EV3控制顏色傳感器開始測量擺球的運動周期。當擺球沒有運動到M點時，由于顏色傳感器不能收到足夠強的反射光，顏色傳感器上報給LEGO EV3的測量值為0。當擺球到達M點時，顏色傳感器由于收到擺球的反射光線，其上報給LEGO EV3的測量值要不為0，此時程序就會在擺球的運動次數(shù)上加1，同時啟動內部定時器計時。此后，擺球每通過M點一次，程序就會自動在運動次數(shù)上加1，同時計算擺球運動的周期數(shù)和所用的時間，并計算擺球的運動周期和重力加速度值，最后將計算結果顯示在LEGO EV3顯示屏上。

在該實驗中，由于顏色傳感器所發(fā)出是一定直徑的光束，若擺球直徑太大，遠大于光束直徑時，就不能保證每次擺球運動到M點時，顏色傳感器的測量位置相同，從而造成擺球運動周期測量誤差增大。所以擺球的選取原則是應盡可能小，但是又不能太小，擺球太小時，其反射的光太弱，低于顏色傳感器檢測能力，造成漏檢。因此擺球的選取以擺球經(jīng)過M點時，顏色傳感器測量值發(fā)生微小變化為宜。

該實驗中，LEGO EV3 的定時精度可以到1個毫秒，遠高于秒表的測時精度，大大提高了單擺運動周期測量的準確性。

5 結束語

利用LEGO EV3 及其顏色傳感器進行重力加速度測量，減小了測量誤差，提高了測量精度，是LEGO EV3 控制模塊及其傳感器在物理實驗中的一次成功應用，為其在其他物理實驗和生活中的應用提供了思路。

參考文獻

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[3]李乾華，程立英，張志美等.基于LEGO的“環(huán)保衛(wèi)士”機器人設計[J].硅谷，2013.

作者單位

鄭州市第一中學 河南省鄭州市 450007