单摆测重力加速度是高中阶段必修的物理实验，该实验采用误差均分原理测量。在一定误差范围内，近似的周期测量公式为：T=2π√L/g，将长度固定就可以发现g∝1/T²。传统物理实验多次测量求取周期平均值，但是使用秒表手动计时和手动计算周期，不仅费时费力，并且也存在一定的人为误差。因此我们想使用Arduino UNO，自己动手制作一个单摆测重力加速度的装置。

一、单摆测重力加速度的设计

在动手制作单摆测量重力加速度前，我们首先得知道单摆和周期的公式：T=2π√L/g，根据这个公式我们可以换算出g=4π²L/T²，发现只需要保证L的大小不变，测量周期的大小带入公式即可。

现在测量重力加速度的问题就转换成了测量周期的问题，我们通过查找资料我们发现为了获得比较准确的周期数值，我们需要注意两个问题：1.多次测量求取平均值；2.初始角度小于5°。

在结构搭建方面，我们使用铁架台做底座，使用细线连接试管夹和小钢球，具体如1所示。为了检测小球转动的次数我们使用红外数字壁障传感器，只要测量出小球通过的时间，总时间除以总次数就是平均周期了。

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图 1 结构搭建图

在正式实施的时候用手控制小球的启动，容易出现小球初始角度不一致和小球不停旋转的问题，这对于结果影响很大。因此我们就想使用电磁铁控制小球释放，当给电磁铁通电时，电磁铁吸引小钢球，按下按钮电磁铁自动释放。但是我们发现身边的电磁铁电压是12V，而我们的Arduino UNO只能提供5V的电压，因此需要加入一个继电器转换电压。为了方便安置电磁铁我们使用3D打印机制作了一个配套的底座，如图 2 所示。

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图 2 3D打印底座

为了可以使实验脱离电脑，我们给装置安装了一个LCD屏，并给Ardunio UNO提供一个外接电源。在实际操作过程中，小球转动的次数对于结果的影响很大，但是每一次手动改变记录的次数又很麻烦，我们加入角度传感器，通过控制角度传感器的角度可以实现次数的记录。最后通过测试，我们发现在本实验中记录40次结果是最好的。

综上所述，制作本品所需要的材料和说明如表 1所示：

表 1  实验材料

二、代码编写

本次实验代码比较简单，我们选择北京师范大学创客教育实验室开发的图形化编程软件Mixly，使用Mixly这款软件编写Arduino代码非常简单，具体如图 3所示。

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图3 Mixly代码

三、测试效果

通过点击按钮小球释放，单摆运行一段时间后。显示屏上直接显示最终结果。本次实验运行的结果达到9.75，与实际数值符合。结果如下图 4所示：

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图 4  结果呈现图

通过实验我们发现：为了获得准确的实验结果，我们需要注意以下内容：

1. 初始摆角小于5°，小球不能以旋转姿态下运行。

2. 红外传感器放置在小球运动最低端。

3. 摆动的次数适中，本装置在40次达到最优结果。

4. 整个实验装置在密闭环境下运行。

5. 整个实验需要牢牢地固定。

四、知识拓展

通过数字化工具，重新对传统物理实验进行设计并不是一件很难的事情，例如机械能守恒和牛顿第二定律的验证等问题。在传感器的帮助下，能有效减少误差，实验效果更加明显。而且，在Mixly之类的图形化编程软件的帮忙下，Arduino的编程其实十分简单，在中学阶段传感器和编程知识是很有必要的。

本文作者：李守良 张敬云 谢作如

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