自制傳感器采集系統(tǒng)改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

謝立行

物理課程資源的開(kāi)發(fā)與利用包括多個(gè)方面，其中實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)發(fā)是課程資源開(kāi)發(fā)的重要組成部分。對(duì)于一些物理實(shí)驗(yàn)，教師使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材很難取得預(yù)期效果，可借助信息技術(shù)手段創(chuàng)造條件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，充分發(fā)揮學(xué)科育人功能。有條件的學(xué)校可配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)化。對(duì)于大多數(shù)教師來(lái)講，自制器材也是不錯(cuò)的選擇。自制傳感器采集系統(tǒng)在中學(xué)物理教學(xué)中有很好的應(yīng)用前景，具有精度高、可視化強(qiáng)、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。筆者基于51單片機(jī)自制傳感器采集系統(tǒng)，在課程資源開(kāi)發(fā)方面做了一些探索。

一、基于51單片機(jī)自制傳感器采集系統(tǒng)

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）功能強(qiáng)大，被不少學(xué)校采用，但由于價(jià)格高昂、裝置復(fù)雜，短時(shí)間內(nèi)難以在初中物理教學(xué)中普及應(yīng)用。筆者自制的傳感器采集系統(tǒng)，基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)，以數(shù)碼管（38.1 mm）作為顯示元件，并配有聲、光、力、液壓、大氣壓、溫度等傳感器用于采集數(shù)據(jù)。此外，筆者將該裝置通過(guò)串口通信線連接電腦，應(yīng)用自編的VB程序在電腦上完成數(shù)據(jù)采集及描圖工作。

系統(tǒng)的電源由2節(jié)干電池組成。該系統(tǒng)具有造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)單、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，可以便捷而精準(zhǔn)地采集原始數(shù)據(jù)，非常適合初中物理教學(xué)（如圖1）。

筆者自制該系統(tǒng)用到如下材料：自行研發(fā)設(shè)計(jì)的單片機(jī)主板、stc89c52rc及stc12c5a60s2單片機(jī)芯片、串口模塊?RS232轉(zhuǎn)TTL模塊、稱重傳感器1 kg壓力傳感、雙通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換HX711AD、GY-68 BMP180 新款?BOSCH溫度、US-015 超聲波測(cè)距模塊、防水型DS18b20溫度探頭、E18-D80NK光電傳感器、數(shù)字光強(qiáng)度/光照傳感器BH1750FVI、數(shù)碼管（共陽(yáng)）、USB轉(zhuǎn)串口線?USB轉(zhuǎn)RS232 USB轉(zhuǎn)COM USB轉(zhuǎn)232 340芯片、49 S晶體晶振、5 V升壓模塊等材料。

教師應(yīng)用該系統(tǒng)可開(kāi)展多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)：通過(guò)數(shù)碼管顯示方式可操作超聲波測(cè)距、超聲波測(cè)聲速、超聲波測(cè)身高、大氣壓測(cè)量、液壓測(cè)量、力的測(cè)量（驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)機(jī)翼升力測(cè)量）、電壓測(cè)量、光強(qiáng)度測(cè)量、單擺周期測(cè)量、跑步計(jì)時(shí)、小車斜坡下滑前后半段時(shí)間測(cè)量、數(shù)字溫度計(jì)等實(shí)驗(yàn);通過(guò)串口連接電腦可以完成力的相互作用、比熱容、超聲波測(cè)物體移動(dòng)速度、不同液體的沸點(diǎn)對(duì)比等實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一是造價(jià)低廉（整套成本在300元以內(nèi)），適合在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村學(xué)校及山區(qū)學(xué)校推廣應(yīng)用;二是可以選擇數(shù)碼管顯示方式操作，降低對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴，數(shù)碼管可視度高，顯示效果極佳，能對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量器材進(jìn)行改良;三是具備連接電腦進(jìn)行描圖的功能，可以采集數(shù)據(jù);四是功耗極低，電源匹配方便（既可使用5 V通用USB接口供電，又可以選擇兩節(jié)干電池結(jié)合升壓模塊供電）;五是不同傳感器可以通過(guò)小擴(kuò)展板與主板進(jìn)行切換連接，從電腦下載程序很方便;六是相對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，操作更簡(jiǎn)單，非常適合教學(xué)。

二、應(yīng)用自制傳感器采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的兩種方式

（一）通過(guò)數(shù)碼管顯示方式實(shí)驗(yàn)

1. 紅外光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例

紅外光電傳感器既可用于單擺周期測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以即時(shí)顯示單擺每擺動(dòng)一個(gè)周期所用的時(shí)間（如圖2），又可用于跑步計(jì)時(shí)測(cè)量，以精確測(cè)量學(xué)生穿越兩個(gè)紅外光電傳感器所需時(shí)間。

物理教師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重視學(xué)生參與探究和體驗(yàn)的過(guò)程，但是一些實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地和器材限制，難以在課堂上進(jìn)行。百米賽跑是引入速度概念的絕佳例子，但在教室里無(wú)法實(shí)施，教材只用圖片和文字的方式闡述。教師利用紅外光電傳感器能幫學(xué)生解決短距離高精度計(jì)時(shí)問(wèn)題（如圖3），讓學(xué)生真正參與其中，體驗(yàn)探究過(guò)程。

2. 壓力傳感器的應(yīng)用實(shí)例

自制的壓力傳感器系統(tǒng)是以hx711 24位AD模塊作為數(shù)據(jù)采集器，并結(jié)合壓力傳感器（量程為10 N）構(gòu)建的一套數(shù)字測(cè)力裝置。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配備的彈簧測(cè)力計(jì)只能用于單向的測(cè)量（拉伸方向），而壓力傳感器可用于雙向測(cè)量（如圖4），其特殊性能是傳統(tǒng)彈簧測(cè)力計(jì)無(wú)法比擬的。

在演示“壓力的作用效果”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了說(shuō)明壓力的作用效果與受力面積有關(guān)，教師常利用水氣球和釘床進(jìn)行演示，但學(xué)生無(wú)法利用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量水氣球的受力數(shù)據(jù)。筆者利用壓力傳感器對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：利用壓力傳感器對(duì)氣球產(chǎn)生一個(gè)下壓力，并測(cè)量其大小。受力面積較大時(shí)，壓力達(dá)9.33 N，氣球還是完好無(wú)損。筆者在壓力傳感器上加上釘子，改變受力面積，再次下壓氣球，僅用0.21 N的壓力，氣球馬上破裂（如圖5）。

筆者還利用壓力傳感器測(cè)量精確度高（精確到0.01 N）的特性對(duì)驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。利用傳統(tǒng)彈簧測(cè)力計(jì)驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)往往存在較大誤差，甚至無(wú)法得出“物體所示浮力等于其排開(kāi)液體所受的重力”這一結(jié)論。筆者利用壓力傳感器操作“驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)”時(shí)，恰好手頭上沒(méi)有合適的小水杯盛裝物體排開(kāi)的水，故用輕質(zhì)的空手套替代小水杯，順帶檢驗(yàn)一下測(cè)力計(jì)的精確度。筆者將測(cè)力計(jì)調(diào)零，以大鉤碼作為被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，先測(cè)量空手套重力0.06 N，后測(cè)量大鉤碼重力2.00 N（如圖6）。

筆者準(zhǔn)備好盛滿水的溢水杯和空手套，使大鉤碼浸沒(méi)入水中，同時(shí)用空手套接住排開(kāi)的水;發(fā)現(xiàn)測(cè)力計(jì)示數(shù)在1.74 N與1.75 N之間徘徊;取下鉤碼，測(cè)得手套和水重力為0.31 N。

2.00 N-1.75 N=0.31 N-0.06 N，結(jié)論得證。即使按1.74 N算，誤差僅有0.01 N。相較于傳統(tǒng)彈簧測(cè)力計(jì)，新器材優(yōu)勢(shì)明顯。

3. 超聲波傳感器的應(yīng)用實(shí)例

超聲波傳感器可用于測(cè)距，筆者指導(dǎo)學(xué)生對(duì)原有程序稍作修改，用于測(cè)量身高（如圖7）。

4. 大氣壓傳感器的應(yīng)用實(shí)例

大氣壓傳感器可用于測(cè)量室內(nèi)大氣壓隨高度的變化情況。筆者采用的大氣壓傳感器是通過(guò)BOSCH BMP085氣壓模塊采集數(shù)據(jù)，其精度很高。筆者讓學(xué)生利用該大氣壓傳感器在課堂上做實(shí)驗(yàn)，了解大氣壓隨海拔高度變化的特點(diǎn)。學(xué)生舉起大氣壓傳感器站在凳子上，然后將其貼近教室地面（如圖8），測(cè)得數(shù)據(jù)分別為1.105×10⁵Pa和1.102×10⁵Pa。

大氣壓傳感器還可用于測(cè)量電梯隨樓層高度變化的大氣壓變化情況。

5. 液壓傳感器的應(yīng)用實(shí)例

一杯水能產(chǎn)生多大壓強(qiáng)？筆者利用液壓傳感器解答這個(gè)問(wèn)題。

如圖9所示，筆者準(zhǔn)備一燒杯注入紅墨水（300 mL），將液壓傳感器放入燒杯底部，測(cè)得液壓值為0.0055×10⁵Pa，然后根據(jù)液壓公式P=ρgh，讓學(xué)生思考如何讓這杯紅墨水的壓強(qiáng)增大。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證他們的想法：將液壓傳感器固定在一根長(zhǎng)約1.4 m的有機(jī)玻璃空管底部，將這杯紅墨水灌入管中，當(dāng)水快灌滿管子時(shí)，測(cè)得液壓值為0.1325×10⁵Pa（如圖10）。該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生深刻認(rèn)識(shí)液壓的特點(diǎn)。學(xué)生用測(cè)量數(shù)據(jù)推算紅墨水的深度，所得結(jié)果非常精準(zhǔn)。

（二）通過(guò)串口連接電腦完成實(shí)驗(yàn)

1. 比熱容實(shí)驗(yàn)

筆者將長(zhǎng)度相同的兩段加熱絲（電阻值均為1.7 Ω）接到電腦電源的12 V電壓輸出線上（如圖11），保證兩者產(chǎn)生的熱量相同;用兩個(gè)18B20溫度傳感器對(duì)等質(zhì)量的食用油和水進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集（如圖12）;利用串口數(shù)據(jù)線連接電腦生成圖像（如圖13）。

2. 超聲波測(cè)物體移動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)

筆者在實(shí)驗(yàn)中使用了超聲波傳感器和電動(dòng)推桿。首先給電動(dòng)推桿加上不同的電壓，使其以不同的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，然后利用超聲波傳感器采集探頭到推桿白色擋板之間的距離數(shù)據(jù)，將串口數(shù)據(jù)線連接電腦，生成白色擋板移動(dòng)的S-T圖（如圖14）。

此外，師生通過(guò)串口連接電腦的方式還可以完成“力的相互作用”驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

筆者基于51單片機(jī)自制傳感器采集系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用其高精度特性，對(duì)部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，用全新的方法操作教材上的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做了很好的補(bǔ)充和拓展，教學(xué)效果明顯提高。該系統(tǒng)小巧獨(dú)立，不依靠電腦顯示，操作簡(jiǎn)便，得到用戶一致認(rèn)可，具有推廣價(jià)值。

注：本文系人民教育出版社課程教材研究所2021年立項(xiàng)課題“義務(wù)教育教科書(shū)物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：KC2021-008、KC2021-010）的研究成果。

（作者系廣東省廣州市廣園中學(xué)高級(jí)教師）