基于ESP32與Phyphox的多功能振動實驗裝置的設計與實驗

陳劍峰

（福建省莆田第二中學，福建 莆田 351131）

物理新課程標準明確提出：注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展的需求，引導學生自主探究.強調要學會利用現代信息技術手段，引導學生去理解物理的本質，增強學生的科學探究能力和利用現代信息技術獲取信息的能力，感受信息技術的力量，引導學生進行深度學習，突破傳統實驗教學的難點，從而落實核心素養.[1]

1 教材中的裝置

魯科版高中物理教材（2017課標版）選擇性必修第1冊第2章第5節的“生活中的振動”介紹了受迫振動、共振的相關知識，教會學生將物理知識與生活實際結合起來.各版本教材中的阻尼振動、受迫振動和共振實驗無法準確測量固有頻率、驅動頻率、振動頻率和振幅，只能簡單演示實驗現象（圖1），無法深入探究.設計一套解決以上問題的裝置，不僅能有效地解決“教師難教、學生難學”的實驗教學難題，還能激發學生的探究意識、培養學生的創造性和邏輯思維能力，提升信息素養和學科核心素養.

圖1

2 實驗裝置的設計與制作

2.1 實驗材料

ESP-WROOM-32模塊、VL53L0X（精度0.25mm）、NPN-NC激光對射開關、OLED模塊、5V直流電源、安裝專用實驗軟件的智能機（平板）、軌道、小車、輕質彈簧、直線電機、調速電路、12V直流電源、3D打印的傳感器外殼、螺絲及導線等配件.

2.2 結構介紹

2.2.1 測量裝置的搭建

ESP-WROOM-32模塊是基于樂鑫ESP32 WIFI／雙模藍牙SoC芯片，可作為一個BLE外圍設備與手機建立連接.基于ESP32搭建的數據采集系統，利用激光對射開關（NPN-NC）觸發計時程序，測量周期.利用VL53L0X激光測距傳感器采集位移數據.搭建流程如圖2所示.

圖2 測量裝置的搭建流程圖

2.2.2 實驗裝置的制作

導軌一端安裝金屬立柱，另一端安裝可往復運動的直線電機驅動.小車的兩端各系一輕質彈簧作為振子，彈簧的另一端分別固定在金屬立柱和直線電機伸縮桿的前端.伸縮桿前端安裝一擋光片，將激光對射開關安裝在導軌側面支架上，擋光片往復擋光觸發計時程序，測量驅動周期，利用f=1／T得到驅動頻率.將VL53L0X激光測距傳感器安裝在導軌一側，采集小車振子的位移隨時間變化曲線.

2.2.3 軟件設計

Phyphox是由德國亞琛工業大學第二物理研究所（RWTH Aachen University）開發的一款免費手機APP.不僅能調用手機中的各種傳感器，還能通過藍牙外接傳感器，為物理創新教具制作提供極大的便利.打開Phyphox editor軟件編輯器，添加實驗信息，新建圖像、數值和按鈕，利用Phyphox editor模塊化編程搭建聯系（圖3），創建實驗專用軟件（圖4），將ESP32采集的實驗數據通過藍牙傳輸至Phyphox端，處理數據.[2]

圖3 Phyphox editor模塊化編程界面

圖4 專用實驗軟件界面

2.3 裝置實物圖（圖5、圖6）

圖5 實驗裝置整體圖

圖6 驅動部分

3 實驗過程

3.1 探究阻尼振動的特點

3.1.1 實驗步驟

（a）組裝好儀器，如圖5，連接好電源，閉合傳感器開關，位移調零.

（b）打開APP專用實驗軟件，通過藍牙建立連接，點擊開始實驗實時采集數據，將小車振子推到一側釋放，讓小車振子做阻尼振動，采集振子的位移隨著時間變化的x-t曲線（圖7）.

圖7 阻尼振動的位移隨時間變化曲線

（c）放大圖像，利用平移和縮放、選取數據功能，記錄阻尼振動每個周期的周期和振幅數據.

（d）分析數據得出結論.

3.1.2 實驗數據（表1）

表1 振子做阻尼振動實驗數據

3.1.3 實驗結論

分析數據可以得到阻尼振動特點：周期不變，振幅逐漸減小.

3.2 探究受迫振動的周期、繪制共振曲線

3.2.1 實驗步驟

（a）組裝好儀器，如圖5，連接好電源，閉合傳感器開關.

（b）打開APP專用實驗軟件，藍牙連接，點擊開始實驗實時采集數據，位移傳感器調零.

（c）將小車振子推到一側釋放，讓小車振子做阻尼振動，采集振子的x-t曲線，利用選取數據功能（可以截取多個取平均值）得到小車振子的固有頻率f固.

（d）閉合開關，利用直線電機驅動，實時采集振子的x-t曲線和驅動頻率，利用選取數據功能得到小車振子的頻率f振、振幅A和驅動頻率f驅.

（e）不斷改變驅動頻率，多次實驗采集多組數據.

（f）分析數據，得出結論.

3.2.2 實驗數據及數據處理（表2）

表2 振子做受迫振動實驗數據f固=1.320Hz

3.2.3 實驗結論

物體做受迫振動時，振動的周期或頻率總等于驅動力的周期或頻率，與物體的固有周期或頻率無關.物體做受迫振動時，驅動頻率與物體固有頻率相差越小，受迫振動的振幅越大，如圖8.當驅動頻率與物體固有頻率相等時，受迫振動的振幅達到最大，即共振.

圖8 共振曲線

4 結束語

本項目利用ESP32與Phyphox自制生活中振動實驗裝置，能精確測量振動的周期（頻率）、驅動頻率與振幅，定量探究阻尼振動的特點、受迫振動的振動頻率與驅動頻率的關系、受迫振動的振幅與驅動頻率的關系，突破傳統實驗教學的難點.現代信息技術正深刻地影響著中學物理實驗教學，自制教具中融入數字化信息系統等現代化教學技術已成為新課程實施的有效途徑.智能機集成了多種傳感器，還能通過藍牙外接各類傳感器，因此，利用智能機開發創新實驗具有很大的潛力，借助智能機開發創新教具和設計新的實驗，豐富物理課程資源，讓學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考，提升學生的物理思維和創新能力，有效培養學生的核心素養.