基于STM32的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)及其在電容器充放電實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

許婉燕 吳先球 謝元棟

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

1 問題的提出

“了解電容器”選自粵教版高中物理選修3-1［1］，根據(jù)《普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》要求，電容器和電容2個(gè)概念是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn).電容器是高中生接觸的第一個(gè)非線性電學(xué)元件，電容器充放電實(shí)驗(yàn)對(duì)促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)電容器、電容概念至關(guān)重要，對(duì)學(xué)生概括能力、抽象思維能力水平提出了較高要求［2］，是本節(jié)課教學(xué)難點(diǎn)之一.其中，了解電容器充放電過程呈現(xiàn)的特殊暫態(tài)變化有助于學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)交變電流知識(shí).

本文將自行研發(fā)的基于STM32的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于電容器充放電實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象短暫、信號(hào)微弱難以觀察［2］這一難題.實(shí)驗(yàn)中完整記錄電容器充放電的瞬間變化過程，提供實(shí)時(shí)的圖像，能夠幫助學(xué)生定性了解電容器的工作過程實(shí)驗(yàn);擬合物理量之間的變化規(guī)律，進(jìn)行半定量分析，為運(yùn)用比值法定義電容做準(zhǔn)備.

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中通過小燈泡、檢流計(jì)及電壓表的變化獲取對(duì)電容器充放電過程的定性認(rèn)識(shí)［4］.然而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，回路電流微弱導(dǎo)致小燈泡亮度變化不明顯，且電表指針偏轉(zhuǎn)迅速，學(xué)生無法看清其變化.因此，本實(shí)驗(yàn)中加入電阻延長(zhǎng)充放電時(shí)間，利用數(shù)據(jù)采集器的電流采集端、電壓采集端分別代替檢流計(jì)、電壓表接入電路.

電容器充放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示.其中，數(shù)據(jù)采集器以入門級(jí)嵌入式系統(tǒng)ALIENTEKSTM32F103RB開發(fā)板為硬件開發(fā)平臺(tái)，KeilC為軟件編程平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上添加精密電流傳感器擴(kuò)展微小電流采集功能，信號(hào)經(jīng)I/O口輸入即可高速精密采集電壓［3］或電流值.實(shí)驗(yàn)時(shí)，在數(shù)據(jù)采集器的P1.1(CH1)、P1.2(CH2)2個(gè)I/O分別輸入電壓、電流信號(hào)，可進(jìn)行雙通道信號(hào)同步測(cè)量，并將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C上位機(jī)平臺(tái).

圖1

上位機(jī)界面(圖2)簡(jiǎn)潔直觀，操作簡(jiǎn)便，首先在“控制區(qū)”選擇串口連接數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)平臺(tái).教師可手持?jǐn)?shù)據(jù)采集器通過板上“開始/暫停”按鍵遙控實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展了教師的活動(dòng)范圍，方便進(jìn)行課堂互動(dòng).采集到的信號(hào)將在“繪圖區(qū)”顯示出來，在“圖像存儲(chǔ)回放區(qū)”可查看歷史圖像，便于教師講解或總結(jié).

圖2

3 電容器充放電實(shí)驗(yàn)

控制數(shù)據(jù)采集器開始采集，對(duì)電容器進(jìn)行充電、放電，學(xué)生由I-t圖(圖2)可知回路中產(chǎn)生了方向相反的電流，迅速增大而后又減小為0.針對(duì)學(xué)生存在的“電容器充放電的電流為什么是短暫的、變化的”這一困惑，引導(dǎo)他們由關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深入到關(guān)注現(xiàn)象本質(zhì)，通過回顧產(chǎn)生電流的微觀過程.結(jié)合Uc-t圖、Q-t圖，以“電流如何產(chǎn)生?電荷量如何累積?電勢(shì)差如何形成?能量如何轉(zhuǎn)換?”4個(gè)問題為主線逐步了解電容器的工作過程.

此過程中，Q、Uc呈現(xiàn)相似的變化，作Q-Uc圖得到一條過原點(diǎn)的直線.更換電容器并對(duì)其進(jìn)行充放電，得到另一條傾斜程度不同的直線.由數(shù)學(xué)圖像中“斜率”知識(shí)可知，對(duì)于不同的電容器，Q/Uc為不同的定值.在此引入一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)先得到Q、Uc之間的關(guān)系，從學(xué)生已有的數(shù)學(xué)圖像知識(shí)出發(fā)，避免定量探究對(duì)學(xué)生現(xiàn)階段能力造成太大負(fù)擔(dān)［5］，也為接下來運(yùn)用比值法定義電容做必要的鋪墊［2］.

4 小結(jié)

將基于STM32的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于電容器充放電實(shí)驗(yàn)中，不僅能培養(yǎng)學(xué)生讀圖能力，更能幫助學(xué)生利用已有數(shù)學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)定性觀察到定量分析的上升過程，發(fā)展學(xué)生概括和抽象思維能力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)電容器、電容概念的建構(gòu)，了解電容器特殊的工作過程，從而突破教學(xué)難點(diǎn).

在此數(shù)據(jù)采集器的基礎(chǔ)上更換各類傳感器，可在力、熱、電、聲等多種實(shí)驗(yàn)中將各種物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量(電壓、電流)進(jìn)行測(cè)量，不僅改善實(shí)驗(yàn)效果，還培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?本數(shù)據(jù)采集器成本低、通用性強(qiáng)，在使用時(shí)，只需把用戶程序安裝在計(jì)算機(jī)上，就可以作為實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用于教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)及研究性學(xué)習(xí)等.

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1.廣東:廣東教育出版社，2011.

2 周鵬，張德啟，李新鄉(xiāng).信息技術(shù)支持下的探究性教學(xué)案例——“電容器與電容”教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.物理教師，2008:29.

3 劉軍.例說 STM32［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:4.

4 廖伯琴.物理教學(xué)研究與案例［M］.北京:高等教育出版社，2006:12.

5 萬開瓊.略論中學(xué)生物理學(xué)習(xí)的思維障礙［J］.物理教師，2013(5).