用RaspberryPi进行物理实验（下）

上星期和大家谈及实验的简介、资料和硬件配备，也开始作了手作部分。今期会继续接驳 Raspberry Pi 与 MCP3008 ，以及制作程式的部分。

承上期，连接蜂鸣片后，现在准备余下的部分。由于 Raspberry Pi 只有数码输入，因此不能将震荡器的模拟讯号直接输入 Raspberry Pi ，所以需要使用一颗模拟数码转换器 MCP3008 。

按著图中的接驳方法， Raspberry Pi 就可读入模拟信号。

图中是模拟数码转换器 MCP3008 的实际接驳情况。

完成接驳之后，可量度一下金属球下坠到木板时所产生的电压。

相对于静止状态，一般来说，下坠的金属球可产生多大约数十倍的电压量。

Python 程式设计

最后的阶段，在 Raspberry Pi 编写程式让整个实验进行。我们将使用最新的 GPIO Zero Library ，可以更容易学习及编写 Python 程式，如系统还未安装 GPIO Zero Library ，可在 Terminal 中键入 sudo apt-get update 以更新软件，然后再键入 sudo apt-get install python3-gpiozero 以下载 Library 。

程式码如图。

有关实验中的程式码，当中的一些重点解释如下:
行数 1 ： 载入 GPIO Zero Library ，及加入 LED 、按钮及拟数码转换
器。
行数 4 ： 将按钮设定在 2 号接口上。
行数 5 ： 将继电器设定在 17 号接口上。
行数 6 ： 压电陶瓷蜂鸣片设定在数码转换器 MCP3008 的第一只脚上。
行数 7 ： 要求学生输入金属小球下坠的距离（以米作单位）。
行数 8-10 ： 当按钮接收到按下的讯号，即连接至 GND ， Raspberry Pi 便会打印出“ Button is pressed ”（行数 9 ），及输出讯号给继电器（行数 10 ），以供电给电磁铁设以施产生磁力，吸著金属小球。
行数 12-15 ：当按钮没有被按下，系统会停止供电给电磁铁（行数 15 ），
电磁铁便没有磁力，金属小球开始下坠。这时候电脑便会记下系统时间 t1 （行数 13 ），并会打印出“ Button is released ”（行数 14 ） 。
行数 18-24 ： 当金属小球下坠到地下的木板上，便会使到压电陶瓷蜂鸣片
产生电压讯号。但因为这个讯号很微弱， 我们要把讯号乘上 100 倍，以放大讯号的数值。当这个数值大于 80 时（行数 18 ），我们便可确定金属小球已经下坠至木板的位置了。这时候电脑便会记下系统时间 t2 （行数 19 ），将 t2 减去 t1 ，并舍入至一个小数位（行数 20 ），便可得出金属小球的下坠时间（ roundt ）。最后用公式就可求出重力加速度。

完成以上的步骤之后，就可以进行这一个实验活动了。首先，开启 Raspberry pi 的 Python 程式，将以上的程式码输入至一个新的档案，将档案储存之后，按一下 F5 ，程式便开始执行。在实验中，金属小球的下坠距离设定为 1.25 米，得出重力加速度的数值为 9.68ms-2 ，结果令人满意。

如果能够将实验中的下坠距离设定为更大的数值，例如把金属小球由 2 楼跌落至地下，就可以降低实验中所量度的时间和下坠距离的误差率，大家不妨多作尝试。