基于Arduino平臺創新實驗教具

賴毅標 盧佳文 張寧 高永偉

摘? ?要：基于Arduino電子平臺，應用LM-35溫度元件與KY-024霍爾元件，自制實驗教具。測得在不同電流條件下螺線管內溫度與磁感應強度的變化，探究了磁體磁性與溫度之間的關系并解釋其原因。該自制教具彌補了傳統已有實驗的不足并擴展了實驗教學的途徑。

關鍵詞：Arduino；安培分子假說；霍爾效應；自制教具

高中物理人教版選修3-1第三章“磁場”中，介紹磁現象、磁感線、磁感應強度、安培分子電流假說等概念。磁學是高中物理中的重要部分，其中的電磁實驗更是教學過程中的重難點。傳統教學中教師運用鐵屑、回形針描述磁感線分布與磁場強度大小的關系，這些教具僅能定性地演示磁現象，定量實驗則需要昂貴且操作復雜的數字化顯示儀器與實驗設備[ 1 ]。在實際教學中，受到實驗儀器與條件等因素限制，教師難以對磁現象進行定量研究，這導致學生雖然能觀察到電與磁之間的宏觀現象，卻無法理解微觀視角下磁現象的電本質[ 2 ]。

針對以上教學問題，本文基于“Arduino”開源平臺與其兼容元件模塊改進實驗裝置，將物理教學與現在科學技術相結合，促進學生理解電與磁的聯系。既普及了人工智能與信息技術，又培養學生實踐能力與創新意識。

1? Arduino 開源平臺介紹

Arduino是一款便攜的開源電子原型平臺，能通過各種元件輸出模擬信號、數字信號來感知和反饋環境[ 3 ]。運用Arduino編程語言編寫燒錄程序從而控制各個元件的內容調用，可以制作各種類型的傳感器。本實驗采用的開發板是Arduino UNO，該平臺包括13個數字信號端口、5個模擬信號端口、USB接口、直流電源接口、電源輸入與輸出端口等，如圖1所示?？梢酝ㄟ^連接各種元件模塊實現對各種物理量進行測量與采集，元件模塊不僅質優價廉，而且種類繁多、功能強大。目前可兼容的模塊有89種，包括溫濕度模塊、PM2.5模塊、超聲波模塊、霍爾元件模塊等。

如果能應用科學探究方法，合理地組合各模塊與配件，Arduino及其兼容模塊可以滿足大多數中學物理實驗所需，幫助教師創設直觀的教學情境，激發學生學習興趣，使學生更好地理解對應知識[ 4 ]。

2? 實驗元件模塊介紹

2.1? 霍爾元件模塊及其原理

霍爾效應原理如圖2所示。載流導體薄板放在方向垂直于它的磁場中時，通過載流導體的電子在洛倫茲力的影響下進行偏轉，導致電荷聚集形成電場與電勢差。當電子受到電場力與洛倫茲力達到平衡狀態時，則會形成一種垂直于電流和磁場的方向上的穩定電壓——霍爾電壓，如公式①②③④所示。式組中Vh為霍爾電壓，IS為霍爾元件的工作電流，Kh為霍爾元件的靈敏度，n為載流子濃度。

霍爾元件KY-024是根據霍爾效應制作的一種磁感應強度傳感器。工作電壓V0為直流5.20 V，IS工作電流為4.1 mA，Kh靈敏度為10 mV/mT，測量范圍為-100～100 mT。它是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、電壓差分放大器和集電極輸出腳針等部分組成的磁敏傳感電路，通過霍爾電壓發生器中的霍爾元件將接收到磁感應強度信息轉換數字電壓信息。其腳針與探口如圖3所示，腳針從上至下分別是器件數字信號輸出電壓為V0的電源負、正極接口、模擬信號輸出。接通電源并燒錄程序后，將具有霍爾元件的探頭近待測磁場，可以通過模擬信號輸出腳針得到包含磁場信息的電壓值。

KT-024霍爾元件模塊工作原理如圖4所示，將工作電壓V0（5.20 V）的霍爾元件放入待測磁場區域，它受到磁場影響，產生霍爾電壓Vh。并根據串聯電路的電壓特點，如公式⑤，通過信號輸出腳針輸出電壓VB。由公式①④⑤得出該區域的磁感應強度數值大小B。

VB=V0+Vh⑤

2.2? 溫度元件模塊及其原理

熱敏電阻是一種微敏元件，根據溫度系數的不同可分為正溫度系數熱敏電阻和負溫度系數熱敏電阻。在工作溫度范圍內，電阻值會隨著溫度的上升而產生線性增加或減少，溫度與電阻的關系如公式⑥⑦所示。式組中Rt為當前溫度下電阻值，R0為0攝氏度時的電阻值，α為溫度系數，t為攝氏度溫度值，Vt為當前溫度下電壓值，I為工作電流。

Rt=R0（1+αt）⑥

Vt=IRt⑦

LM-35溫度模塊是線性正溫度系數熱敏電阻元件，工作溫度區間為-55～125 ℃，工作電壓為直流5 V。它是由溫度系數振蕩器，溫度信息儲存器和集電極輸出腳針等部分組成。其腳針如圖5所示，從上至下分別是模擬信號輸出、電源正、負極接口。接通電源并燒錄程序后，將帶有熱敏電阻的一端放置在待測環境中，得到輸出電壓Vt。由Arduino開發板對數據進行處理，如公式⑥⑦，可得出當待測環境中溫度數值t。

3 實驗裝置設計

3.1? 實驗內容

利用Arduino開發板、KT-024霍爾元件和LM-35溫度元件自制實驗裝置，探究溫度對磁體磁性的影響。

3.2? 實驗器材

本實驗裝置主要由5 V直流電源、16 V直流電源、電流表、滑動變阻器、100匝螺線管、LM-35溫度元件模塊、KT-024霍爾元件模塊、LCD數字顯示屏、Arduino Uno、兩組單刀雙擲開關及若干導線組成。

3.3? 實驗裝置及其原理

實驗原理電路圖如6所示，該實驗裝置電路由控制電路與測量電路構成?？刂齐娐吠ㄟ^兩組單刀雙擲開關改變電流方向及滑動變阻器的有效阻值，從而控制通電螺線管內的磁場方向、大小。KT-024霍爾元件模塊與LM-35溫度元件模塊的探頭將采集到的磁感應強度和溫度轉化為電信號，并傳輸給Arduino開發板進一步分析與處理，最終將處理后的磁場強度和溫度大小輸出到LCD顯示模塊進行顯示。

3.4? 實驗操作及注意事項

實驗具體操作步驟如下：

（1）依據實驗原理圖連接線圈、Arduino開發板、KT-024霍爾元件模塊及LM-35溫度元件模塊，如圖7所示；

（2）觀察各電源指示燈是否正常，LCD顯示屏是否點亮，多次檢查各電路是否連接完整；

（3）檢查無誤后，Arduino的USB接口與電腦相連接，設計對應程序并進行燒錄；

（4）記錄室溫，接通控制電路，讀取LCD顯示屏中溫度及與其對應磁感應強度的數值，采集數據。當溫度達到60 ℃時，停止記錄并斷開螺線管電源；

（5）當溫度傳感器示數恢復至室溫時，通過滑動變阻器改變螺線管內磁感應強度大小，再次測量。重復此操作，并記錄3～5組數據；

（6）利用Matlab 2021b軟件分析實驗數據并繪制B-T圖像；

在實驗過程中，需檢查實驗環境中是否其他磁體的干擾，盡量讓磁場方向與霍爾元件的測量面垂直，并穩定放置在螺線管的中心。每當觀察到溫度示數變化時，再對溫度及與其對應磁感應強度數值進行記錄。此外，實驗溫度不能超出元件模塊工作溫度區間，防止高溫對設備產生不可逆的破壞。

3.5? 核心程序設計

void loop（） {

lcd.setCursor（0， 0）;

U=analogRead（A0）; //讀取KT-024霍爾元件模塊輸出的模擬電壓值VB

U=U/100;

lcd.print（U）; //在LCD屏上打印出電壓值的大小

lcd.print（"V"）;

B = （analogRead（A0）-520）/4.100; //將電信號轉換為磁場強度的大小

lcd.setCursor（7， 1）;

lcd.print（B，3）; //在LCD屏上打印出電場強度的大小

lcd.print（"mT? ?"）;

lcd.setCursor（7，0）;

T=（5*analogRead（A1）*100）/1024; //將電信號轉換為溫度的大小

lcd.print（T）; //在LCD屏上打印出溫度的大小

lcd.print（"C? ? ?"）;

delay（200）;

}

4? 數據處理與結論

依據恒定電流下溫度T與磁感應強度B的數值樣本，應用Matlab軟件進行數據分析并繪制B-T圖像。表1是在溫度環境25.4 ℃，通過2 A電流的螺線管內部溫度與對應磁感應強度的數值。其中T為LM-35溫度元件模塊輸出溫度數值，B為KT-024霍爾元件模塊輸出磁感應強度數值。

通過上述探究過程，發現在一定溫度范圍內物體的磁性會隨著溫度的升高而減小。有效地論證了安培分子電流假說的正確性：當磁體受到高溫時，內部分子電流取向變得雜亂，磁體磁性減弱或失去磁性。

5 創新與不足

對比其他數字化顯示儀器與實驗設備，Arduino及其兼容元件模塊相對價廉物美，操作簡單。僅需掌握少數幾個指令，即可組合出功能多樣的實驗設備。設計與燒錄的程序可通過網絡平臺迅速調用，并保存在其儲存器內，從而應用于多種物理實驗中。將Arduino融入中學物理教學，不僅可以滿足實驗需求、提升教學效果，還能提高學生實驗探究能力和培養學生創新思維。

Arduino及其兼容元件模塊雖然功能強大、種類繁多，但精確度較低。如本實驗中使用的LM-35溫度元件模塊，其測量精度為0.5 ℃，數據浮動較快，無法提供實驗高精度的準確數值，但仍然能夠得到大致的實驗結論，滿足中學物理實驗定性與半定量的需求。

6 結語

將Arduino平臺引入中學物理實驗，應用自制數字化磁感應強度與溫度傳感器，能夠高效、直觀地揭示了磁體的磁性與溫度聯系，驗證安培分子假說的正確性。其次，彌補了傳統實驗定量實驗的不足，填補了電磁實驗的空缺，充分展示科學技術與物理實驗的有機結合，為物理教學提供多樣化的實驗方式。

參考文獻

［1］ 何學美，朱福菊，王酉順，等.利用可視化物理模型突破中學物理疑難概念教學：以“磁通量”為例[J].物理通報，2022（3）：48-52.

［2］ 胡世龍.注重物理實驗創新? 凸顯實驗教學功能：以“自制電磁鐵磁性測量儀”為例[J].中學物理，2021，39（14）：23-25.

［3］ 金書輝，鄭燕林，張曉.高中Arduino機器人課程學習現狀調查與分析[J].中國電化教育，2017（12）：115-120.

［4］ 翁浩峰.無線速度傳感器：基于Arduino和Flash的無線DIS實驗[J].物理教學，2014，36（7）：26-28.