基于STM8探究影響液體壓強裝置的設計與實驗

焦政翰　田建民　李勇強　田博雅

摘? ?要：創新實驗能夠更好地輔助學生深入了解液體壓強，強化學生應用信息技術解決物理問題的能力。各種傳感器和數字化顯示模塊在教學實驗設備中的運用較好地促進了教學實驗設備的數字化進程。利用STM8模塊、高精度氣壓傳感器HP303B和TM1620數碼驅動顯示模塊設計數字化壓強測量裝置，借助定性、定量兩種分析方法，探究液體密度和深度對液體壓強的影響。

關鍵詞：液體壓強；實驗改進；STM8；壓強測量裝置

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0052-4

隨著數字化社會的建設，現代信息技術已經成為重要的教育技術之一。現代信息技術一方面是作為教學的手段，另一方面是作為實驗教學的設備和測量方法［1］。利用數字化實驗技術設計的中學物理實驗，具有適用面廣、實驗操作簡便、測量結果精確、自動生成測量數據和處理數據等優勢。

《義務教育物理課程標準（2022年版）》提出：教師要充分發揮信息技術的優勢，將信息技術有效融入物理教學，創新教學方式，提升教學效率。同時，鼓勵學生將信息技術應用到物理學習中，幫助學生適應數字時代的要求，提升學生應用信息技術的能力［2］。

1? ? 教材中的裝置

人教版八年級下冊物理教材（2012年版）第九章第2節“液體的壓強”介紹了液體壓強的特點和液體壓強的大小，引導學生探究并了解液體壓強與哪些因素有關［3］。教材在探究影響液體壓強因素環節提供的方案如圖1所示，將探頭浸入同一液體，改變探頭浸入液體的深度，觀察微小壓強計U形管兩側液面高度差；控制探頭浸入液體深度一致，使用不同密度的液體，觀察微小壓強計U形管兩側液面高度差。上述方案只能簡單的定性分析，無法定量分析。設計一套能夠從定性、定量兩種分析方法探究影響液體壓強的實驗裝置，通過現象的觀察和實驗數據的比較分析，可以有效幫助學生深入認識液體密度和深度對液體壓強的影響。

2? ? 實驗裝置的設計與制作

2.1? ? 制作裝置的材料

實驗裝置示意圖如圖2所示，制作所需的材料主要有：STM8S103F3P6模塊、高精度氣壓傳感器HP303B、TM1620數碼驅動顯示模塊、5 V直流供電模塊、亞克力方形容器、微小液體壓強計（U形管、探頭、橡膠管、橡皮筋）、3D打印的傳感器外殼、透明塑料刻度貼紙。

2.2? ? STM8數字壓強測量裝置的搭建

STM8是意法半導體公司生產的8位MCU，具有電路結構簡單、存儲空間大、數據處理效率高、外設接口豐富等特點，可以將其應用于壓強測量的裝置［4］。基于STM8的壓強測量裝置使用高精度的數字氣壓傳感器HP303B，測量探頭所在位置的壓強，并通過內部總線將數據傳輸至STM8進行處理，隨后STM8將處理完成的壓強數據實時發送給數據顯示模塊，由LED專用驅動控制IC TM1620驅動5位數碼管將其顯示。基于STM8的壓強測量裝置框圖如圖3所示。

2.3? ? 實驗裝置的制作

實驗裝置實物圖如圖4所示，利用亞克力透明板制作三個大小相同的方形容器，用熱熔膠將微小壓強計U形管固定于方形容器左側的同一高度處，方形容器右側粘貼透明塑料刻度紙。組裝微小壓強計探頭，配置實驗使用的濃鹽水，并將食用油、水、濃鹽水倒入方形容器，控制液面位置在同一高度處。

3? ? 實驗過程

3.1? ? 定性探究

3.1.1? ? 探究液體壓強與液體深度的關系

為探究液體壓強與液體深度的關系，控制液體密度一定。將微小壓強計探頭與U形管相連接，不斷增大探頭浸入液體的深度，觀察U形管兩側液面高度差的變化。如圖5所示，U形管a，b，c，d分別對應的探頭浸入液體的深度為：3.5 cm，5.5 cm，7.0 cm，11.0 cm。隨著探頭浸入液體的深度不斷增加，U形管的液面高度差不斷增大。實驗說明：當液體密度一定時，液體深度越深，液體壓強越大。

3.1.2? ? 探究液體壓強與液體密度的關系

為探究液體壓強與液體密度的關系，控制液體深度一定。將微小壓強計探頭與U形管相連接，探頭分別浸入不同密度液體的同一深度，觀察U形管兩側液面高度差的變化。如圖6所示，U形管a，b，c分別對應的是探頭浸入食用油、水、濃鹽水，深度為7.0 cm處。隨著探頭浸入液體密度的不斷增大，U形管的液面高度差也不斷增大。實驗說明：當液體深度一定時，液體密度越大，液體壓強越大。

3.2? ? 定量探究

3.2.1? ? 操作步驟

（1）分別將食用油、水、濃鹽水倒入方形容器，并控制液面在同一高度處。

（2）將數字壓強測量裝置用橡膠管與微小壓強計的探頭相連接。

（3）打開數字壓強測量裝置開關，并按動調零按鈕。

（4）將連接好的微小壓強計探頭分別浸入食用油、水、濃鹽水的3.5 cm，6.0 cm，8.5 cm，11.0 cm，13.5 cm深度處，觀察數字壓強測量裝置的示數，并記錄相應數據。

3.2.2? ? 實驗數據處理

實驗中選用的食用油、水、濃鹽水的密度如表1所示。方形容器中液面位置、探頭浸入液體深度、探頭位置如表2所示。實驗記錄的數字壓強測量裝置示數如表3所示。

為直觀地通過數據分析液體密度與深度對液體壓強的影響，將記錄的數據導入Origin軟件進行圖像繪制。如圖7所示，研究液體壓強與液體深度的關系，以探頭浸入液體的深度為橫軸，數字壓強測量裝置的示數為縱軸，利用實驗采集的數據繪制散點圖，并通過Origin軟件進行線性擬合。擬合結果報告中Pearsons r皮爾遜相關系數在0.999 97～1之間，說明液體壓強與深度有極強的相關性；Adj R-Square校正決定系數在0.999 94～0.999 99之間，說明擬合結果較好。通過擬合圖像，能夠觀察到當液體密度一定時，液體壓強與深度成正比。

如圖8所示，研究液體壓強與液體密度的關系，以液體密度為橫軸，數字壓強測量裝置的示數為縱軸，利用實驗采集的數據繪制散點圖，并通過Origin軟件進行線性擬合。擬合結果報告中Pearsons r皮爾遜相關系數在0.998 81～0.999 90之間，說明液體壓強與液體密度有極強的相關性；Adj R-Square校正決定系數在0.995 26～0.999 86之間，說明擬合結果較好。通過擬合圖像，能夠觀察到當深度一定時，液體壓強與液體密度成正比。

3.2.3? ? 實驗誤差分析

實驗誤差的分析能夠有效地判斷本次實驗的可靠性，同時能夠檢驗基于STM8的數字壓強測量裝置的準確性。如表4所示，利用液體壓強公式計算各實驗組的液體壓強理論值，借助相對誤差計算公式計算各實驗組的誤差。

本次實驗誤差的主要來源有：（1）實驗中使用的橡膠管在氣壓的作用下會發生膨脹，且實驗裝置絕非完全密閉，導致實驗采集的液體壓強數據小于理論值。（2）讀取液面位置、探頭位置等數值時，存在因讀數而產生的誤差。根據表4數據，計算得到本次的15組實驗相對誤差的平均值為1.631%，在實驗誤差允許的范圍之內。因此，本次實驗有效地利用基于STM8的數字壓強測量裝置定量探究了液體密度和深度對液體壓強的影響。

4? ? 結? 語

本文利用STM8模塊、高精度氣壓傳感器HP303B和TM1620數碼驅動顯示模塊設計了數字壓強測量裝置，并將其應用在探究影響液體壓強的實驗中。實驗由觀察微小壓強計U形管的液面高度差的定性分析，到數字壓強計測量液體壓強數值變化的定量分析，探究了液體密度與深度對液體壓強的影響。

基于STM8的數字傳感技術與物理實驗教學的結合有著重要的教學價值。一方面，彌補了實際教學中無法通過定量實驗探究影響液體壓強因素的欠缺，幫助學生經歷完整的科學探究過程，對液體壓強有更為深度的認識。另一方面，數字化傳感器在實驗教學中的應用，革新了物理教學方法，拓展了學生的學習視野，有利于培養學生應用信息技術解決物理問題的能力，強化學生學科核心素養的養成。

參考文獻：

［1］廖伯琴.普通高中課程標準（2017年版2020年修訂）教師指導·物理［M］.上海：上海教育出版社，2021：150-151.

［2］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（2022年版）［S］．北京：北京師范大學出版社，2022.

［3］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書物理八年級下冊［M］.北京：人民教育出版社，2012：18-19.

［4］劉海成，葉樹江，郭強.STM8單片機原理與實踐［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2013：4.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-12-04

基金項目：青海師范大學自然科學中青年項目（18801030831）。

作者簡介：焦政翰（1999-），男，碩士研究生，主要從事中學物理教學研究。

*通信作者：田建民（1990-），男，博士，碩士生導師，主要從事高校物理學科教學論的研究與教學工作。