利用Arduino和LabVIEW探究電磁感應(yīng)定律*

胡博 鄒建中

(新余市第四中學(xué) 江西 新余 338000)

“重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用”是2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的4個(gè)教學(xué)建議之一[1].當(dāng)今社會(huì)，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，對生活與學(xué)習(xí)的影響無處不在.將信息技術(shù)發(fā)展成果與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行融合可以解決很多以前難以實(shí)現(xiàn)的疑難實(shí)驗(yàn)問題.

1 LabVIEW與Arduino簡介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)的圖形化編程軟件，可以對計(jì)算機(jī)外部硬件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并在計(jì)算機(jī)軟件面板上實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域[2].

Arduino是一種開源的單片機(jī)控制器，有開放源代碼的軟硬件平臺.硬件部分由單片機(jī)及控制系統(tǒng)組成，目前已經(jīng)推出Uno，Nano等十幾種型號，配套的Arduino IDE軟件具有類似C語言的開發(fā)環(huán)境，語法結(jié)構(gòu)簡單，已有豐富的開發(fā)案例可供參考.由于Arduino采用開源協(xié)議，控制器價(jià)格低廉，使用成本低，極受電子愛好者和創(chuàng)客的歡迎[2].

使用Arduino作為下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并輸送到計(jì)算機(jī)，采用LabVIEW作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)顯示，兩者結(jié)合既避免了采購價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備，又解決了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及顯示、記錄等難題.

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與測量系統(tǒng)搭建

法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理教學(xué)的重要內(nèi)容.由于實(shí)驗(yàn)條件所限，傳統(tǒng)教學(xué)往往直接給出結(jié)論[3]，教學(xué)效果不佳.經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，將LabVIEW或Arduino應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)已有一定的研究[4，5].I.Ishafit等人借助LabVIEW與Arduino設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行磁場的測量[6].本文在此基礎(chǔ)上以探究電磁感應(yīng)定律為例，介紹如何使用LabVIEW和Arduino自制教具來改進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.裝置可分為感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生系統(tǒng)和感應(yīng)電動(dòng)勢測量系統(tǒng)兩部分.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.1 感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生系統(tǒng)

如圖2和圖3所示，面板上固定有采用同種漆包線繞制而成的3組線圈，面板中央的電機(jī)輸出軸上固定有支架，支架上對稱安裝有10片相同的厚度為2 mm、長寬均為5 mm的薄片狀釹鐵硼磁鐵.面板右下方安裝有電機(jī)開關(guān)，當(dāng)按下開關(guān)接通電源時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)磁鐵勻速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過這些線圈正上方，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.

1.電機(jī)轉(zhuǎn)軸;2.磁鐵;3.A組線圈;4.B組線圈;5.C組線圈;6.電機(jī)電源開關(guān);7.C組線圈接線端;8.B組線圈接線端;9.A組線圈接線端;10.Arduino Nano控制器

圖3 感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生系統(tǒng)背面結(jié)構(gòu)圖

A組和C組線圈固定在以轉(zhuǎn)軸中心為圓心的同一圓周上.A組5個(gè)線圈是邊長均為4.0 cm的正方形，匝數(shù)不同，分別為200匝、250匝、300匝、350匝、400匝，用于探究感應(yīng)電動(dòng)勢和匝數(shù)的關(guān)系.C組5個(gè)線圈均為300匝，面積不同，每個(gè)線圈長邊均為4.0 cm，但寬度不同，分別是2.0 cm，2.5 cm，3.0 cm，3.5 cm，4.0 cm，安裝在面板上時(shí)長邊沿著圓弧切線，短邊沿半徑方向，這樣做的目的是保證同一磁鐵經(jīng)過同一圓弧上的這些線圈時(shí)磁通量的變化量不同，但是磁通量的變化時(shí)間相同，探究感應(yīng)電動(dòng)勢和磁通量變化量的關(guān)系.B組線圈匝數(shù)和面積均相同，匝數(shù)為300匝，長寬均為4.0 cm，安裝在面板上以轉(zhuǎn)軸中心為圓心的圓的同一條半徑上，依次向外排開，線圈中心離轉(zhuǎn)軸中心的距離分別是：5.5 cm，11.5 cm，17.5 cm，23.5 cm，29.5 cm，磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)5片相同的磁鐵恰好可以從5個(gè)線圈的正上方經(jīng)過，由于磁鐵經(jīng)過的線速度不同，從而磁通量變化時(shí)間不同，用以研究感應(yīng)電動(dòng)勢和磁通量變化時(shí)間的關(guān)系.

2.2 感應(yīng)電動(dòng)勢測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)以Arduino Nano控制器為下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，以LabVIEW為上位機(jī)將測量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，如圖4所示.

圖4 測量系統(tǒng)框圖

Arduino Nano控制器體積小、模擬輸入端口多，如圖5所示，其模擬端口可以直接讀取0～5 V的電壓.具體而言，首先使用Arduino IDE軟件編寫程序并上傳到Arduino Nano控制器.通過程序調(diào)用A0至A4共5個(gè)模擬輸入端口實(shí)時(shí)采集同一組5個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢大小，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后采用串口通訊的方式將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī).使用時(shí)只需將線圈導(dǎo)線一頭接入到Arduino Nano控制器的GND端口(公共端)，另一頭按照對應(yīng)關(guān)系依次接到Arduino Nano控制器的A0至A4端口.Arduino程序部分主要采用CASE結(jié)構(gòu)來響應(yīng)上位機(jī)的請求并返回相應(yīng)端口的數(shù)據(jù)[2].

圖5 Arduino Nano控制器

在計(jì)算機(jī)上使用LabVIEW軟件作為上位機(jī)，借助VISA插件與Arduino進(jìn)行串口通訊，獲得Arduino Nano控制器測量到的數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)置好前面板用來實(shí)時(shí)顯示測量到的5個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢的大小.LabVIEW前面板如圖6所示，LabVIEW程序框圖如圖7所示.

圖6 LabVIEW上位機(jī)前面板

圖7 端口1對應(yīng)的LabVIEW上位機(jī)程序

2.3 使用方法說明

首先用導(dǎo)線將所選擇的某組5個(gè)線圈的5個(gè)接線柱按照順序與Arduino Nano控制器的模擬輸入端口A0至A4連接.再使用USB電纜將Arduino Nano控制器與計(jì)算機(jī)連接，并在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)LabVIEW軟件，打開該實(shí)驗(yàn)的VI文件，選擇Arduino Nano控制器連接的串口端口.需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量的時(shí)候按下面板上的電機(jī)開關(guān)，然后點(diǎn)擊LabVIEW軟件菜單中的運(yùn)行按鈕即可實(shí)時(shí)測量.

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果討論

3.1 探究電動(dòng)勢與線圈匝數(shù)的關(guān)系

表1 感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈匝數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用Excel軟件做出散點(diǎn)圖后可以看到數(shù)據(jù)點(diǎn)幾乎都在一條過原點(diǎn)的直線上，進(jìn)行線性擬合得到結(jié)果如圖8所示.

圖8 感應(yīng)電動(dòng)勢和線圈匝數(shù)的關(guān)系

根據(jù)圖像可以得出：感應(yīng)電動(dòng)勢大小和線圈匝數(shù)成正比.

3.2 探究電動(dòng)勢與磁通量變化時(shí)間的關(guān)系

B組線圈匝數(shù)和面積均相同，對應(yīng)支架上5片磁鐵也相同，保證了磁通量變化量相同.由于B組各線圈到轉(zhuǎn)軸中心的距離不同，支架上對應(yīng)的磁鐵經(jīng)過時(shí)線速度不同，所以時(shí)間肯定不一樣.根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，磁通量發(fā)生變化的時(shí)間

式中l(wèi)為轉(zhuǎn)過的弧長，v為轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，r為轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑，ω為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.磁鐵經(jīng)過時(shí)轉(zhuǎn)過的弧長可以認(rèn)為近似相等，同軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度一樣，所以Δt和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(即線圈中心到轉(zhuǎn)軸中心的距離)成反比.

教學(xué)中某次實(shí)驗(yàn)測量到的數(shù)據(jù)如表2所示.做出散點(diǎn)圖后進(jìn)行線性擬合得到結(jié)果如圖9所示.根據(jù)圖像可知：感應(yīng)電動(dòng)勢大小和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑成正比，再結(jié)合前文分析可知感應(yīng)電動(dòng)勢大小和磁通量變化時(shí)間成反比.

表2 感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量變化時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 感應(yīng)電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系

3.3 探究電動(dòng)勢與磁通量變化量的關(guān)系

C組5個(gè)線圈匝數(shù)相同，固定在同一圓周上，由于線圈沿圓周方向均為4.0 cm，支架上外側(cè)磁鐵經(jīng)過線圈時(shí)間相同，即磁通量變化時(shí)間相同.但寬度不同，因此面積不同，磁通量變化量不同.教學(xué)中某次實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表3所示，進(jìn)行線性擬合結(jié)果如圖10所示.根據(jù)圖像可以得出：感應(yīng)電動(dòng)勢大小和線圈面積成正比，再結(jié)合前文分析可知感應(yīng)電動(dòng)勢大小和磁通量變化量成正比.

表3 感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量變化量關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 感應(yīng)電動(dòng)勢和線圈面積的關(guān)系

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

4 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)方案克服了感應(yīng)電動(dòng)勢大小難以調(diào)節(jié)和測量的困難，為定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律創(chuàng)造了條件，基于此進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于學(xué)生對法拉第電磁感應(yīng)定律有更深刻的認(rèn)識，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可以提升學(xué)生的“科學(xué)探究”核心素養(yǎng).

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理規(guī)律的建立離不開實(shí)驗(yàn).考慮到實(shí)際教學(xué)需求和傳感器、計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)的發(fā)展，將LabVIEW和Arduino應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)是非常有必要的.一方面能夠很好地完成許多以前難以完成的、或者完成效果不好的定量實(shí)驗(yàn).另一方面，把新技術(shù)、新方法適當(dāng)?shù)匾胝n堂，能夠讓學(xué)生更積極、更加主動(dòng)地認(rèn)識科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對物理學(xué)科乃至整個(gè)社會(huì)的影響，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”核心素養(yǎng).