基于智能手機Phyphox和ESP32的高中物理創新實驗

李鑫

【摘要】通過Arduino將程序燒錄到ESP32中就可以精確測量微小感應電動勢，通過Phyphox的藍牙拓展技術實現可視化的電壓時間圖像，進而讀取感應電動勢的數值。采用控制變量法將不同數量的強磁鐵從相同高度落下改變磁通量;相同數量的強磁鐵從不同高度下落改變通過線圈的時間，得到感應電動勢與磁通量變化率的關系，驗證法拉第電磁感應定律。基于智能手機Phyphox和ESP32的高中物理創新實驗，提高學生實踐創新能力，提升學生物理學科核心素養。

【關鍵詞】高中物理;Phyphox;智能手機;ESP32;Arduino;法拉第電磁感應定律;微電壓傳感器

一、引言

在新教材人教版高中物理教材選擇性必修2第二章第2節“法拉第電磁感應定律”中，教材安排了將強磁鐵從玻璃管中的不同高度下落觀察電壓表示數的定性實驗。再根據定性分析得出定量結論，即電磁感應定律就可以表示為，根據教材的安排，筆者提出幾個疑問：

1.根據教材安排的實驗，由定性分析直接得出定量的結論，這個會使學生造成一定的認知沖突，任何一條物理規律都需要實驗進行驗證，學生不禁產生疑問，感應電動勢與磁通量到底成怎么樣的變化規律。

2.筆者親測實驗并利用手機視頻截圖方法觀察強磁鐵通過線圈時產生的最大感應電動勢，發現當強磁體分別從20cm、30cm、40cm、50cm不同高度下落時，電壓表示數變化不明顯，尤其40cm和50cm處產生的感應電動勢幾乎不變。這是由于強磁鐵下落經過線圈時速度大，產生的感應電動勢變化快，而磁電式電壓表是測量恒定電壓的。為了解決這一問題，筆者嘗試利用智能手機Phyphox和ESP32改進實驗驗證法拉第電磁感應定律。

Phyphox全稱“physical phone experiments”，

是由德國亞琛工業大學在2016年基于傳感器設計開發的一款手機物理實驗軟件。Phyphox中包含的6種傳感器可采集手機內部各種傳感器的數據，拓展物理實驗教學工具，突破傳統傳感器操作的局限性，具有成本低、方便實用的特點。使用者可以通過官網Editor功能編寫實驗程序，通過二維碼掃一掃或者藍牙技術添加實驗模塊。

ESP32是一系列具有集成WIFI和雙模藍牙功能的低成本，低功耗片單片微控制器。ESP32系列在雙核和單核版本中均采Tensilica Xtensa LX6微處理器，并內置RFbalun、天線開關、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊。

二、創新實驗方案

由于本實驗產生變化的電動勢，利用磁電式電壓表不能精確地測量，所以本實驗利用Phyphox和ESP32制作為微電壓傳感器。基于智能手機及相關技術開發實驗，包括開發環境的搭建、實驗程序的編寫與燒錄、實驗程序的運行與修改。運用Arduino編程軟件編寫測量微小電壓程序（如圖1所示），將程序代碼燒錄到ESP32中，用杜邦線把線圈的兩端連接到ESP32的GMD和P25兩個端口。打開Phyphox軟件，選擇藍牙設備添加實驗，就可以利用ESP32上的傳感器，將電信號轉化成數字信號，利用藍牙將數據傳給Phyphox上，進而可以繪制電壓—時間圖像，得到感應電動勢的具體數值。

三、實驗原理和探究過程

如果保持N與S不變，磁通量=BS，感應電動勢E=K就可以轉化驗證。如圖所以2，所以實驗裝置，分別探究感應電勢E與的關系，分析實驗數據的規律性，通過歸納總結驗證法拉第電磁感應定律。

1.探究感應電動勢E和磁通量變化量的關系

保持磁鐵的下落高度不變（通過線圈的時間不變），通過改變磁體的個數，探究感應電動勢E和磁通量變化量的關系。閉合線圈的大小不變，即S不變，通過改變強磁鐵的個數，改變?B（即改變）。讓不同個數的強磁鐵從距離線圈10cm高度落下，改變測得的感應電動勢E，通過Phyphox和ESP32獲取實驗數據（如圖3所示），讀取強磁鐵通過線圈時產生的感應電動勢并記錄表格如表1。

2.探究感應電動勢E和通過線圈時間變化量?t的關系

保持磁鐵的個數不變（通過線圈的不變），改變強磁鐵下落的高度，根據動能定理得，當磁鐵通過線圈時，由得，把探究E與的關系轉化探究E與的關系。利用Phyphox和ESP32得到不同高度的強磁鐵通過線圈的感應電動勢圖像，將實驗數據記錄在表格中，如表2所示。

四、數據采集處理和分析

利用Excle表格分析并擬合圖像，得到如圖4探究感應電動勢E與強磁鐵個數n的關系圖像，以及圖5感應電動勢E與的關系。

通過圖像分析得出結論：在誤差允許的范圍內，感應電動勢的大小與磁通量的變化量成正比，即E?。感應電動勢E與下落高度成正比，進而E與成正比，即E。

綜上兩個探究實驗，可以得到，當面積S一定時，即E，進而得出結論：閉合電路中感應電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，這就是法拉第電磁感應定律，即E=K.

五、實驗心得與反思

1.低成本效果佳，鍛煉學生實踐能力

本實驗不用高昂的傳感器套件，低成本的ESP32和人手一部智能手機的配合，實現了微電壓的數字化記錄和圖像化顯示，解決了智能手機難以開展電學實驗的問題。學生可以通過動手實踐體會創新物理實驗過程，激發學生的實踐能力和創新能力。

2.師生共同參與，提升物理核心素養

雖然本實驗需要一定的編程基礎，但都是基于Phyphox本身的庫，利用Ariduino燒錄到ESP32中。基于Phyphox藍牙拓展技術，利用ESP32和智能手機的配合開發出可視化強、證據性強，能激發學生的濃厚學習興趣，通過綜合創新的方式解決問題，培養學生的物理學科核心素養，從而落實立德樹人根本任務，體現物理課程的育人要求。

3.融合信息技術，提升學生探究能力

隨著信息技術的不斷發展，不少以往需要用到精密且昂貴的傳感器的實驗，如今均可用智能手機來實現，這將極大提高課內外物理實驗的實驗效果和學生進行物理研究的興趣。

參考文獻：

[1]李錫均，程敏熙，江敏麗.數字傳感器新載體——智能手機在物理實驗中的應用綜述[J].大學物理，2018，37（2）：53-59，63.

[2]惠宇潔.智能手機在物理實驗教學中的應用探討——以Phyphox軟件為例[J].物理教學探討，2018，36（7）：70-72.

[3]陳健.法拉第電磁感應定律的簡易驗證[J].物理教師，2019，40（11）：52-54.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研發中心.普通高中教科書物理必修三[M].人民教育出版社，2019.

[5]鄭劉德.法拉第電磁感應定律定量演示實驗的研制[J].物理教師，2016，37（4）：50-51.

責任編輯? 羅燕燕