“2018全国青少年创意编程和智能设计大赛”已经开始了，智能设计部分参赛作品分为工程应用、艺术设计和科学探索三大类型。这里，我们用两个智能设计案例，看看Arduino怎样为经典的科学实验赋予新的生命。
案例一
用Arduino验证摆的等时性
摆是高中物理学习的一个重点，摆的一个重要性质就是在小角度摆动时，摆动周期只与摆绳长度有关，这个性质被称为“摆的等时性”。这个性质是伽利略发现的，它为后来的摆钟设计提供了理论基础。我们现在可以通过公式的变换证明这个性质，但在摆的等时性被发现之前，伽利略还不知道这些公式，他通过脉搏估算教堂摆钟的周期频率，猜测摆具有等时性，再通过多种实验研究计算出摆等时性的性质。
如果十六世纪有Arduino，那么我们能用什么方法验证摆的等时性呢？这里的测量有几个关键点：
时间测量：Arduino内置的计时器可以做出毫秒级的时间测量；
启动装置：有很多传感器可以作为启动装置，但为了让实验尽可能地精确，我们需要选择非接触式的传感器。
我们选择了红外传感器作为启动装置，设计如下装置：
当单摆开始遮挡住LED的光线时，红外传感器开始计时，当单摆再次遮盖LED光线时，第一次计时结束，并启动第二次计时。
这样，我们就可以在串口上收集到每次单摆的周期数据，检验单摆的等时性是否成立。
案例二
用Arduino测量地球质量
我们还可以用Arduino重复一些经典的实验，例如，用Arduino测量地球的质量。
地球有多重？这是难题人类思考了上千年。十七世纪，牛顿的万有引力公式带来了测量地球质量的曙光。牛顿尝试过测量地球质量，但其中最关键万有引力常数G测算的实验，于是牛顿断言只有离开地球才能测的地球的质量。这个断言在一个世纪后被卡文迪许打破了，他巧妙地用扭秤将微小的万有引力两次放大，成功测的万有引力常数G，并测量出地球的质量。
这个科学探索类项目的难点并不在于怎样做出多复杂的设计，而在于怎样将复杂的实验简化，转变为Arduino可测量的量。这个案例很有代表性，试一试分析它的思路，对你设计科学探索类智能设计项目很有帮助。
这个智能设计项目的前提是已知道万有引力常数G和地球质量R，测量地球的质量。解决问题的关键在于通过万有引力公式和牛顿第二定律的联立和消元，将不容易用Arduino测量的力F转变为重力加速度g的测量。
理论上讲，我们可以用加速度传感器做自由落体运动来测量重力加速度，但这种方法会遇到各种各样的问题。例如，如何保证传感器安全降落、如何在下落过程中收集实验数据等等问题。我们还需要把问题进一步转化成我们方便测量的数据。
在中学物理我们都学到，我们可以用时间和距离来计算出加速度。距离是一个很好控制的变量，而Arduino多种传感器可以作为时间测量的辅助工具。
不管测量的是力，还是加速度、时间，用Arduino设计科学实验的主要思路就在于把不容易测量的量转变为方便测量的量，从而计算出我们需要的数据。
那么，怎么测量时间呢？思路还是用传感器控制测量的开始和结束。跟上一个实验一样，我们可以用红外传感器作为时间测量的起始，但红外传感器并不适合结束时间的测量，这里我们选用压电传感器，一旦小球击中压电传感器，便会自动结束计时。
Arduino主控板收集到时间的数据，便能够通过函数，计算出地球的质量。我们可以将它与权威数据相比较，看一看它的误差有多少，想一想，它的误差出现在什么地方，用什么方法可以改进。
除了用Arduino重现经典实验，我们还能怎样用智能设计帮助我们探索科学呢？点击下面小程序学习《2018全国青少年创意编程与智能设计大赛慕课》之“智能设计”吧！点击阅读原文还可以报名参赛哦。
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