大家有沒有玩過「跳樓機」？ 玩家從一個高位自由下墜，感受一下「 free falling 」，十分刺激，這種感覺主要來自「重力加速度」。今期文章將會介紹，利用 Raspberry Pi 來進行一個量度重力加速度的物理實驗。
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：
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：
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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：
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。
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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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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下星期再續…
