基于Arduino單片機的一種熱學實驗儀

劉丹琪　胡志娟

摘 要：自制了基于Arduino單片機的熱學實驗儀，利用bmp180型大氣壓溫度傳感器測得系統在不同條件下氣壓和溫度的變化，探究了做功、氣壓與溫度的關系，有助于教師在課堂定量演示“做功改變內能”和“理想氣體狀態方程驗證”兩個實驗的教學.

關鍵詞：內能;理想氣體狀態方程;Arduino;單片機

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0045-03

傳統的做功改變內能實驗有兩種：一種是用空氣壓縮引火儀演示;另一種是向玻璃容器內打氣，塞子彈起來證明.空氣壓縮引火儀容易引起玻璃炸裂，向玻璃容器內打氣，若塞子塞得太緊，塞子不容易沖出，要反復打氣，可能存在安全隱患[1].

高中物理教材中有理想氣體狀態方程的教學內容，配有簡單的實驗，但是實驗過程沒有體現各個物理量之間定量的變化，學生能理解宏觀的現象，但是無法理解這個實驗物理量之間定量的關系.大學物理中進行理想氣體狀態方程驗證實驗使用的實驗儀器價格昂貴，實驗過程抽象，不適合在中學課堂使用.

針對在以上兩個實驗教學中遇到的實驗成本高、測量精度低、成功率低、安全性差等問題，筆者設計了適合在中學課堂使用的熱學實驗儀，以幫助學生更好地理解這部分知識.

1 軟硬件設備

基于Arduino單片機的熱學實驗儀裝置設計圖如圖1所示，實物圖如圖2所示.實驗儀由實驗模塊和測量模塊兩部分組成.

（1）實驗模塊：針對普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點，采用高硼硅材質的抽濾瓶代替普通的玻璃瓶[2].實驗模塊由上下咀抽濾瓶、針筒、噴嘴、乳膠塞等組成，針筒的主要功能是通過充氣或者抽氣對熱力學系統做功，改變壓強，噴嘴主要用來釋放氣體降低系統壓強，打孔的膠塞方便傳感器連接.

（2）測量模塊：實驗原理如圖3所示，Arduino mega單片機作為實驗數據處理中心，將大氣壓溫度傳感器和液晶顯示屏接至單片機，將當地海拔寫入到程序中，矯正大氣壓測量的精準度，傳感器采集數據，采集的數據通過單片機發送至液晶顯示屏模塊.

初次使用時需將單片機連接至計算機，將程序輸入到單片機，之后實驗不再需要連接計算機，使用移動電源作為電源.

2 實驗測試和數據處理

2.1 實驗操作步驟

實驗將考慮兩種情況，即外界對系統做功和系統對外做功.

（1）將整個實驗裝置看作一個系統，將針筒活塞拉到刻度200mL處，快速推進活塞，完成外界對系統做功的過程，觀察p和T的示數變化，并記錄溫度停止變化時顯示屏上的數據.

（2）將針筒處于閉合狀態，快速抽拉活塞，完成外界對系統做功的過程，觀察p和T的示數變化，并記錄溫度停止變化時顯示屏上的數據.

2.2 做功改變內能驗證實驗

以2.1實驗操作步驟（2）操作為例，每次實驗需要記錄兩組數據.操作前，記錄顯示屏上的初始數據，快速抽拉活塞，觀察顯示屏數據變化，當溫度數值不再變化時，立刻記錄顯示屏上的數據.

教師需對學生說明，熱力學系統壓強變化是動態的，即使不進行操作，壓強的數據也會產生輕微波動.

2.3 驗證理想氣體物態方程實驗

空氣可近似看作理想氣體，當實驗過程進行較快時熱力學系統可近似視為絕熱系統.在這樣的條件下，使氣體的物質的量固定，改變系統的溫度和氣壓，探究熱力學系統氣體物質的量是否滿足n=pV/RT.判斷實驗是否成功的標準為n值偏差程度.空氣的氣體摩爾質量理論值為28.9643g/mol.

按實驗步驟（1）進行實驗：記錄初始氣壓為p1，初始溫度為T1.實驗操作后，選擇溫度不再變化時刻的數據進行記錄，記錄末狀態氣壓為p2，末狀態溫度為T2，初狀態物質的量為n1，末狀態物質的量為n2.實驗前系統體積為1.7L，實驗后系統體積為1.5L.系統氣體物質的量理論值為n0=0.07589mol，數據見表1.

數據分析結果見表2，n2/n1為實驗前后測量的氣體物質的量之比，n0是實驗前系統氣體物質的量的理論值，n1/n0為實驗前測量得到的氣體物質的量與理論值之比，理論差為實驗前測量值n1與理論值n0的相對誤差，平均為3.27%.前后差為n1和n2的相對誤差，平均為0.38%.

圖4是根據表1、表2的數據制作的n1與n0的誤差示意圖，實驗前測量值n1比理論值n0小，可以看出誤差在均勻可控的范圍內.如圖5是n1與n2誤差示意圖.實驗在不同條件下進行，每組數據實驗前后的誤差都很小.

按照實驗步驟（2）進行降壓組的數據處理與上述內容基本一致，不再贅述.降壓組理論誤差平均為4.28%，前后誤差平均為0.29%.

2.4 誤差原因分析

（1）系統誤差：空氣的標準摩爾質量的參考值28.9643g/mol是在0℃、101.33kPa下實驗室中測量出來的，本實驗使用的空氣不處于標準狀況，并且含有水蒸氣和雜質，所以初始測量的氣體物質的量n1與理論值n0有偏差.

（2）儀器誤差：bmp180型大氣壓溫度傳感器需要根據海拔矯正氣壓數據，會產生難以避免的傳感器誤差.連接傳感器和Arduino單片機的杜邦線絕緣層不完全密封，會導致輕微的氣體泄漏，所以本實驗一定要在較快速的情況下進行.

（3）讀數誤差：大氣壓強的值容易受到氣流的影響，所以充氣抽氣結束時，傳感器測得的氣壓值會突然產生幅度較大的變化，這是氣流擾動導致系統內氣壓不均勻造成的.所以要選擇溫度示數穩定，氣壓回落至平緩狀態時讀數，盡可能避免讀數產生的誤差.

按實驗步驟（1）（2）各進行10組實驗，實驗前測量值n1與理論值n的平均誤差為3.8%，實驗前后測量值n1與n2平均誤差為0.47%，誤差在合理范圍內.

3 結束語

將Arduino系統引入中學熱學實驗，可以引導學生靈活結合各種傳感器進行探究實驗，例如將濕度傳感器加入本實驗儀，可以探究空氣濕度對實驗結果的影響，填補部分熱學實驗的空缺，亦可培養學生的物理探究創新思維.

參考文獻：

[1]江耀基，肖春燕，藍斗高.做功改變內能實驗演示儀[J].物理實驗，2019，39（12）：54-55+59.

[2]任少鐸.基于安全性的“做功改變內能”實驗改進[J].中學物理，2020，38（12）：38-39.

（收稿日期：2021-08-17）

作者簡介：劉丹琪（1998-），女，寧夏銀川人，碩士研究生，研究方向：物理教學;

胡志娟（1978-），女，四川萬源人，博士，副教授，研究方向：大學物理教學、信息光學.