數字科學:基于mPython平臺驗證伽利略斜面實驗

康留元

《勻變速直線運動的位移與時間的關系》是人民教育出版社高中《物理》必修1第二章的內容，雖然之前學生學習了《實驗：用打點計時器測速度》，但是實驗操作很煩瑣，并且存在很多問題，如空氣有阻力、紙帶與放電針之間的摩擦力過大、接通電源和釋放紙帶的先后順序不對等，這些問題導致實驗存在誤差，學生無法得到較準確的數據。

現在，我們可以利用LaserMaker激光切割創立方結構、長木板搭建傾斜軌道和小車運動檢測裝置，利用超聲波傳感器與掌控板連接，測量小車的運動位移數據，從而測量得到相同時間內位移差，且實驗測量值與理論符合，表明了掌控板用于物理實驗測量具有可行性。

● 準備器材使用

實驗所需要的器材：①掌控板;②掌控寶（拓展板）;③超聲波傳感器;④數據線、IIC杜邦線、固定螺絲等;⑤木板、LaserMaker創立方、玩具小車。

實驗所需要軟件：LaserMaker（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2），Mpython（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2）。

● 超聲波傳感器原理

①定義：超聲波測距傳感器是一款通過發射和接收機械波來感應物體距離的電子傳感器。

②原理：傳感器發射超聲波時，當遇到物體被反射回來的信號被檢測到，根據發送和接收到的時間差，可以計算物體運動的距離。

③應用：超聲波定位、測距、避障等，有效測距范圍3～300cm。

④操作：通過I2C接口讀取準確的距離數據，將測距值返回掌控板。

⑤引腳：VCC接紅色電源線;GND接黑色地線;ECHO連接I2C_SDA綠線（接受端）;TRIG連接I2C_SCL黃線（發送端）。

● 實驗平臺組裝

平臺組裝包括：LaserMaker設計模型（如下頁圖1），搭建創立方（如下頁圖2）、準備實驗器材（如下頁圖3）、組裝實驗平臺（如下頁圖4）。

● 編程測量超聲波傳感器數值

1.認識Mpython

（1）工作界面

界面分成上、下兩部分。上為菜單欄，下為工作區。工作區又分五個區域，分別是模塊區、指令區、編程區、仿真區/探究區和交互區。

（2）連接掌控板

通過數據線連接掌控板和計算機，具體操作為：打開mPython0.2.2，在菜單欄切換為“圖形模式”，選擇連接設備——串口com27（如圖5）。

（3）燒錄固件

在設置菜單中，燒錄最新固件，選擇一個固件掌控板官方固件（2020-01-16），點擊確定（如圖6）。

2.編寫程序

①在模塊區的擴展塊中添加Bluebit，I2C超聲波模塊;在應用擴展模塊中添加文件模塊;在數學模塊添加初始化圖標列標題及打印數據到圖標（如下頁圖7）。

②初始超聲波數據，初始圖標標題，并顯示“驗證伽利略斜面實驗”。具體操作為：采集超聲波傳感器數據，寫入文件“1.txt”，在探究區圖標顯示，且在掌控板上實時顯示超聲波測到的數據（如下頁圖8）。

需要注意的是：①掌控板通過I2C線與超聲波傳感器連接后，再刷入程序。②在交互區出現“Traceback （most recent call last）： File "main.py"， line 37， in File "bluebit.py"， line 240， in distance”時，有可能I2C數據線存在質量問題，需及時更換I2C線。

3.數據采集

在測量超聲波傳感器調試數值時，可以利用Mpython串口窗口觀察超聲波接收的返回值，并可以在USB串口打印輸出超聲波返回值（如下頁圖9）。

4.點線顯示

在探究區以點線圖的方式顯示數據，觀察數據變化。

5.數據保存

數據測量完成后，在探究區的右上角下載表格中超聲波數據chart.xls;或者進入代碼模式，下載掌控板中超聲波數據文件1.txt。

6.數據分析

①將超聲波收集到的小車運動實驗數據進行分析。

1s～17s，小車沒有放上斜面，超聲波顯示340.1cm;17s～27s，檢測到小車，超聲波顯示221.0cm;28s～38s，小車開始勻加速直線運動，超聲波數值逐漸減小。

②勻加速直線運動位移和時間實驗報告：第25個t位移為0.9;第26個t位移為3.4;第27個t位移為5.5……

數據顯示符合勻加速直線運動位移和時間關系：第1個t內、第2個t內、第3個t內……、第n個t內（相同時間內）的位移之比為xⅠ∶xⅡ∶xⅢ：……xn=1∶3∶5∶……∶（2n-1）。

● 反思

高一學生雖然有一定的計算機基礎，但是對算法、編程還比較陌生，在教師的引導下，在學生對超聲波有了一定的了解后，課堂氣氛熱烈，學生操作積極性提高。另外，通過小組長帶動組員模式，學生展示，小組互評，讓學習變得更有溫度。