数字科学:基于mPython平台验证伽利略斜面实验
康留元
《匀变速直线运动的位移与时间的关系》是人民教育出版社高中《物理》必修1第二章的内容，虽然之前学生学习了《实验：用打点计时器测速度》，但是实验操作很烦琐，并且存在很多问题，如空气有阻力、纸带与放电针之间的摩擦力过大、接通电源和释放纸带的先后顺序不对等，这些问题导致实验存在误差，学生无法得到较准确的数据。
现在，我们可以利用LaserMaker激光切割创立方结构、长木板搭建倾斜轨道和小车运动检测装置，利用超声波传感器与掌控板连接，测量小车的运动位移数据，从而测量得到相同时间内位移差，且实验测量值与理论符合，表明了掌控板用于物理实验测量具有可行性。
● 准备器材使用
实验所需要的器材：①掌控板;②掌控宝（拓展板）;③超声波传感器;④数据线、IIC杜邦线、固定螺丝等;⑤木板、LaserMaker创立方、玩具小车。
实验所需要软件：LaserMaker（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2），Mpython（https：//www.labplus.cn/posts/5e9452558ab73207ed7f68f2）。
● 超声波传感器原理
①定义：超声波测距传感器是一款通过发射和接收机械波来感应物体距离的电子传感器。
②原理：传感器发射超声波时，当遇到物体被反射回来的信号被检测到，根据发送和接收到的时间差，可以计算物体运动的距离。
③应用：超声波定位、测距、避障等，有效测距范围3～300cm。
④操作：通过I2C接口读取准确的距离数据，将测距值返回掌控板。
⑤引脚：VCC接红色电源线;GND接黑色地线;ECHO连接I2C_SDA绿线（接受端）;TRIG连接I2C_SCL黄线（发送端）。
● 实验平台组装
平台组装包括：LaserMaker设计模型（如下页图1），搭建创立方（如下页图2）、准备实验器材（如下页图3）、组装实验平台（如下页图4）。
● 编程测量超声波传感器数值
1.认识Mpython
（1）工作界面
界面分成上、下两部分。上为菜单栏，下为工作区。工作区又分五个区域，分别是模块区、指令区、编程区、仿真区/探究区和交互区。
（2）连接掌控板
通过数据线连接掌控板和计算机，具体操作为：打开mPython0.2.2，在菜单栏切换为“图形模式”，选择连接设备——串口com27（如图5）。
（3）烧录固件
在设置菜单中，烧录最新固件，选择一个固件掌控板官方固件（2020-01-16），点击确定（如图6）。
2.编写程序
①在模塊区的扩展块中添加Bluebit，I2C超声波模块;在应用扩展模块中添加文件模块;在数学模块添加初始化图标列标题及打印数据到图标（如下页图7）。
②初始超声波数据，初始图标标题，并显示“验证伽利略斜面实验”。具体操作为：采集超声波传感器数据，写入文件“1.txt”，在探究区图标显示，且在掌控板上实时显示超声波测到的数据（如下页图8）。
需要注意的是：①掌控板通过I2C线与超声波传感器连接后，再刷入程序。②在交互区出现“Traceback （most recent call last）： File "main.py"， line 37， in File "bluebit.py"， line 240， in distance”时，有可能I2C数据线存在质量问题，需及时更换I2C线。
3.数据采集
在测量超声波传感器调试数值时，可以利用Mpython串口窗口观察超声波接收的返回值，并可以在USB串口打印输出超声波返回值（如下页图9）。
4.点线显示
在探究区以点线图的方式显示数据，观察数据变化。
5.数据保存
数据测量完成后，在探究区的右上角下载表格中超声波数据chart.xls;或者进入代码模式，下载掌控板中超声波数据文件1.txt。
6.数据分析
①将超声波收集到的小车运动实验数据进行分析。
1s～17s，小车没有放上斜面，超声波显示340.1cm;17s～27s，检测到小车，超声波显示221.0cm;28s～38s，小车开始匀加速直线运动，超声波数值逐渐减小。
②匀加速直线运动位移和时间实验报告：第25个t位移为0.9;第26个t位移为3.4;第27个t位移为5.5……
数据显示符合匀加速直线运动位移和时间关系：第1个t内、第2个t内、第3个t内……、第n个t内（相同时间内）的位移之比为xⅠ∶xⅡ∶xⅢ：……xn=1∶3∶5∶……∶（2n-1）。
● 反思
高一学生虽然有一定的计算机基础，但是对算法、编程还比较陌生，在教师的引导下，在学生对超声波有了一定的了解后，课堂气氛热烈，学生操作积极性提高。另外，通过小组长带动组员模式，学生展示，小组互评，让学习变得更有温度。
