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    過程中先要自製一個電磁鐵,並以 Raspberry Pi 控制繼電器。此外,以另一個預設的電源來供電給電磁鐵以產生磁力,吸著金屬小球。當中斷電源時,電磁鐵沒有吸力,金屬小球亦會由高處跌下, Raspberry Pi 會記錄金屬小球下墜的時間,從而計算出重力加速度。

    實驗與高中課程

    在高中的物理課堂中,有一課是涉及「力和運動」,當中提及到「重力加速度」。 這是有關物體下墜時,受地球的重力影響而加速,我們一般會以 g 來表示。在不考慮空氣阻力的情況下,理論上 g 的值是 9.81ms-2。

    首先,我們考慮物件位移 s 和時間 t 的關係公式:

    1256kid04p08

    公式中的 u 是物件的初始速度,如果物件從靜止的狀態下墜, u=0 我們便可以得出下列公式:

    [row][double_paragraph] 1256kid04p09 [/double_paragraph][double_paragraph]
    1256kid04p10 [/double_paragraph] [/row]

    實驗中,讓物件從靜止的狀態下墜(初始速度 u=0 ),然後利用 Raspberry Pi 量度到物件下墜的距離及時間,就可以利用上述公式計算出重力加速度。

    相關實驗器材設定

    所需的材料有五項,包括電磁鐵、繼電器、 Raspberry pi 、 MCP3008 (模擬數碼轉換器)及壓電陶瓷蜂鳴片,共五個組件。
    連接方式與實物如下圖:

    材料連接模擬圖
    材料連接模擬圖

    製作電磁鐵

    首先要預備製作電磁鐵的材料,包括漆皮線、兩吋扁頭螺絲及水磨砂紙。
    步驟非常簡單,先將漆皮線繞在扁頭螺絲上,大約 200 圈,因為我們需要這電磁鐵吸著金屬小球,所以不需要理會電磁鐵的磁極。之後用水磨砂紙把漆皮線兩邊的漆皮磨去,用以接駁電芯就完成了。

    漆皮線繞在扁頭螺絲上約 200 圈。
    漆皮線繞在扁頭螺絲上約 200 圈。

    完成後,可以測試一下電磁鐵的吸力,建議可以接駁 6 粒 AA 電芯,就可以
    吸著一個約 4mm 的金屬小球了。注意在每次測試的時候,只讓電流通過電池鐵約兩至三秒,緊記通電時間不要過長,否則會產生過多的熱力,引致危險。

    用繼電器控制電磁鐵

    接著因為 Raspberry Pi 所提供的 3.3V 或 5V 的接口,只適宜用使用在控制電路上,故不宜用來供電給電磁鐵,所以我們會利用繼電器來控制電磁鐵的開關。

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    繼電器的接駁說明。
    繼電器的接駁說明。

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    Raspberry Pi 與麵包板的接駁。
    Raspberry Pi 與麵包板的接駁。

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    繼電器實際接駁情況。
    繼電器實際接駁情況。

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    讓 Raspberry Pi 感應金屬球墜下

    當金屬球由高處墜下,撞擊到下面的木板時,會產生震盪,利用此震盪訊號來確認金屬球已下墜到該點。我們可以利用壓電陶瓷蜂鳴片或壓電式感測器( Piezo sensor ),貼在木板上,就可以偵測到震盪訊號。當金屬球由高處墜下,撞擊到木板時,所產生的震盪便會使蜂鳴片彎曲,繼而產生電壓。

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    壓電陶瓷蜂鳴片樣本接線方式如圖。
    壓電陶瓷蜂鳴片樣本接線方式如圖。

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    蜂鳴片貼在木板底部,木板面上的「x」位置預計為金屬小球下墜的位置。
    蜂鳴片貼在木板底部,木板面上的「x」位置預計為金屬小球下墜的位置。

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    下星期再續…

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