基于ESP32單片機和Phyphox軟件的實驗設計與制作

在中學物理實驗教學中，傳統測量電池電動勢和內阻的方法存在不足，如操作復雜、數據處理煩瑣、實驗誤差較大等，影響實驗教學效果以及學生對物理概念和規律的深入理解。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）要求學生掌握測量電池電動勢和內阻的方法，并運用圖像法處理數據，體會其在物理研究中的作用。為解決傳統實驗設備難以高效、精準測量的問題，筆者提出基于ESP32單片機和Phyphox軟件的實驗設計方案，以“實驗：電池電動勢和內阻的測量”為例，搭建智能化測量裝置，實現對干電池和水果電池電動勢與內阻的精準測量，優化實驗流程，提升教學效果。

一、課標要求與實驗原理

課標要求學生應掌握測量電池電動勢和內阻的方法并運用圖像法處理實驗數據，旨在培養學生科學探究的能力，加深學生對物理概念和規律的理解，同時促進學生科學思維的發展。在中學物理實驗教學中，測量電池的電動勢和內阻是電學實驗的基礎內容之一。傳統模式下，教師通常指導學生采用伏安法測量路端電壓和電流，再利用閉合電路歐姆定律計算。然而，這種方法存在一些局限性，例如數據處理較為煩瑣，實驗誤差較大，且難以實時監測數據變化。為了克服這些困難，筆者采用一種創新的方法，即利用ESP32單片機和電壓、電流傳感器搭建測量裝置，并結合Phyphox軟件進行數據采集與分析。ESP32單片機是一種高性能的微控制器，具備強大的數據處理能力和藍牙通信功能，能夠將采集到的數據實時傳輸到移動設備上。電壓和電流傳感器則用于精確測量電池的輸出電壓和電流。筆者將這些硬件設備與Phyphox軟件相結合，讓學生在移動設備上實時查看實驗數據，并利用軟件的圖像分析功能，快速、準確地計算電池的電動勢和內阻。

本實驗的核心原理基于閉合電路歐姆定律，即U=E-Ir，其中U為路端電壓，E為電池的電動勢，I為電流，r為電池的內阻。改變電路中的電阻，測量不同電流下的路端電壓，可以得到一組數據。利用Phyphox軟件對這些數據進行線性擬合，得到的直線斜率絕對值即為電池內阻，截距則為電池電動勢。運用這種方法不僅可以簡化數據處理過程，還可以提高實驗準確性和效率。參與本實驗，學生不僅能夠掌握測量電池電動勢和內阻的方法，還能深刻理解圖像法在物理研究中的應用，提升科學探究能力和數據分析能力。此外，本實驗還展示了信息技術與傳統物理實驗的深度融合，為中學物理實驗教學提供了新的思路和方法。

二、裝置設計與制作流程

（一）電壓、電流測量裝置的設計和制作

1.器材準備

實驗所需器材包括：2塊ESP32單片機、2塊WCMCUESP-32擴展板、若干杜邦線、2個電壓傳感器模塊ADS1115、2塊OLED電子顯示屏模塊、2節電壓為3.7 V的7號電池、2個帶DC接口的電池盒和1個0.1 Ω的電阻。

2.電壓、電流傳感器的制作

電壓傳感器的制作方法如下。首先，將ADS1115模塊的VDD、GND針腳接入WCMCUESP-32擴展板對應的3.3 V和GND端口，以保證正常供電。然后，將SCL、SDL針腳接入21、22端口，以保證數據傳輸。接著，將OLED顯示屏模塊的VCC、GND針腳接入WCMCUESP-32擴展板對應的3.3 V和GND端口，并且將SCL、SDL針腳接入25、26端口，用于顯示所測電壓的數值。最后，將電壓傳感器模塊的A0、A1端口作為電壓測量輸入端口，并接入長度適當的杜邦線，并將帶DC口的電池盒接入WCMCUESP-32擴展板的Power端口，驅動整個電壓傳感器工作。

電流傳感器的制作方法如下。先制作一個與上述相同的電壓傳感器，在電壓傳感器的A₀、A₁端口并聯一個0.1 Ω的電阻，即可改裝成電流傳感器，再將帶DC口的電池盒接入WCMCUESP-32擴展板的Power端口，驅動整個電流傳感器工作。

（二）軟件設計

筆者將ESP32單片機作為藍牙外圍設備與手機連接，將ADS1115模塊采集到的數據經單片機轉換后發送至Phyphox軟件。如何實現Phyphox軟件中的數據呈現方式？筆者指導學生用Phyphox Editor編輯器完成設計（如圖1）。

三、實驗測量案例

（一）課堂探究實驗——測量干電池的電動勢和內阻

1.實驗目的

本實驗旨在培養學生科學探究的基本技能，讓學生深化對閉合電路歐姆定律的理解，掌握測量電源電動勢和內阻的方法，體會圖像法在物理研究中的作用，提升學生的科學思維和探究能力。

2.實驗設計

根據閉合電路歐姆定律，將電源電動勢E、內阻r與路端電壓U、電流I的關系表示為U=E-Ir。實驗需要測量路端電壓U和電流I兩個物理量，并利用作圖法處理數據，得出電源電動勢E和內阻r。

3.實驗操作

（1）準備實驗器材：2節1.5 V標準干電池、1個20 Ω的滑動變阻器、1個開關、若干導線。按照圖2完成電路連接，確保所有連接正確無誤。

（2）對數據進行記錄與處理。首先，閉合開關S，移動滑動變阻器的滑片，實時記錄不同阻值下的路端電壓和電流數值，盡量多記錄幾組數據。然后，完成數據記錄后，利用Phyphox軟件中的擬合數據功能擬合所記錄的數據。

4.實驗結論

擬合的數學表達式為U=-1.47I+3.16，將與實驗原理公式U=E-Ir進行類比，從Phyphox軟件中可以看出線性擬合后的方程中，斜率的絕對值1.47表示內阻r，截距3.16表示電動勢E。因此，干電池的內阻為1.47 Ω，電動勢為3.16 V（內阻和電動勢均保留兩位小數）。運用電壓、電流傳感器并結合Phyphox軟件測量干電池的電動勢和內阻，能夠實現實時數據可視化并快速擬合實驗數據，直接得出干電池的電動勢和內阻，有效提高了效率。教師引導學生探究電源兩端的電壓與電流的關系，對客觀、真實的數據進行分析，形成關于物理規律的結論，幫助學生體會圖像法在研究問題中的作用，對數學表達式中常數的論證有助于培養學生的科學思維。

（二）學生自主探究實驗——測量水果電池的電動勢和內阻

1.實驗目的

課標倡導教師為學生創設有利于他們積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境。筆者將教材中本節內容參考案例2“測量水果電池的電動勢和內阻”設置為實驗探究活動^[2]，激發學生學習興趣，加強物理與生產生活的聯系，體現綜合性與設計性原則。

學生在日常生活中雖對水果能夠發電這一現象十分熟悉，但對于如何根據閉合電路的歐姆定律測量水果電池的電動勢和內阻不甚了解。筆者設計測量水果電池電動勢和內阻的探究活動，引導學生設計合理的實驗方案，選擇合適的實驗器材，深化學生對水果電池電動勢和內阻的理解。學生搜集水果電池的工作原理，是一個與化學學科交叉的過程，這有利于他們對化學能與電能轉化產生更深刻的理解，促進能量觀念的形成，提高科學探究能力。

2.實驗設計

（1）確定測量的基本要素。在明確需要測量水果電池電動勢和內阻后，則需設計實驗方案并選擇合適的實驗器材^[3]。學生對水果電池電動勢和內阻進行估測，選擇測量誤差較小、方便處理實驗數據的實驗器材。具體實驗探究設計流程如圖3所示。

（2）論證實驗方案的可行性。部分學生根據網絡視頻或生活常識中水果電池能點亮LED小燈泡，可初步估測出水果電池電動勢。分析水果電池電動勢與靈敏電流計粗測檸檬電池的電流之間的關系，可推斷出水果電池內阻約為幾百歐。

設計好實驗方案后，如何論證實驗方案的可行性？學生根據已有知識基礎，設計“伏安法”測電阻的實驗方案。他們在論證實驗方案時發現該實驗方案的問題：因水果電池電阻較大，通常實驗室滑動變阻器的阻值最大為200 Ω，難以調節通過電路的電流，所測數據較為單一，容易導致測量的水果電池電動勢和內阻誤差較大，故此方案不可行。

（3）對實驗方案進行優化。由于滑動變阻器阻值有限，不能有效調節電流，可將滑動變阻器改為由多個10 kΩ的金屬電阻串聯成的自制可變金屬電阻器。當改變接觸點位置時，接入電路的阻值便會發生改變。例如，左端導線與接觸點1連接，右端導線與接觸點6連接時，此時接入電路的阻值為50 kΩ。當右端導線與金屬電阻接觸點不變，改變左端導線與金屬電阻接觸點的位置時，接入電路的阻值將會成倍數改變。實驗方案優化如圖4所示。

同時，筆者還引導學生設計“伏阻法”測電阻的實驗方案，采用已知阻值的電阻箱來完成實驗方案的設計。采用“伏阻法”方案實驗時，根據原理U=E-Ir，僅需一個電阻箱和一個電壓傳感器即可完成實驗探究。可完成探究的實驗方案有兩種“伏安法”和“伏組法”，圖4所示的“伏安法”實驗方案在數據處理上更加方便。本實驗采用如圖4所示的方案。

3.實驗操作

第一步，連接實驗器材。將電壓、電流傳感器，導線、開關、檸檬（以測量檸檬電池的電動勢和內阻為例）按照電路圖連接，結合Phyphox軟件完成實驗，連接實物。

第二步，記錄并處理數據。待線路連接好后，閉合開關，改變電流傳感器在可變金屬電阻上的接觸點，記錄Phyphox軟件中的電壓、電流傳感器的數值，記錄多組數據后將記錄的數據擬合分析。

第三步，分析數據得出結論。根據閉合電路的歐姆定律U=E-Ir，對擬合完成的圖像用特殊值法和量綱分析，可得出檸檬電池的電動勢E為0.4675 V，內阻r為426.81 Ω。

4.實驗結論

除測量檸檬電池外，使用相同設備實驗，可以測量其他水果電動勢和內阻（見表1）。

水果電池的原理是水果中的酸性物質（如檸檬中的檸檬酸）與金屬電極發生氧化還原反應。值得注意的是，水果電池的電動勢與水果種類、成熟度、分割片數等因素有關；內阻與極板大小、間距、插入水果深度等因素有關。本實驗中所采用的水果均處于商品成熟期且完整的單個水果作為電源，極板均采用表面積約為1.8 cm²的銅片和鋅片作為水果電池的正負極，且極板插入水果深度為1.8 cm，極板正對間距為1.5 cm。教師在教學中可以設計影響水果電池電動勢和內阻的因素這一探究實驗，幫助學生深刻理解水果電池的特性和電化學原理。

利用ESP32單片機和電壓、電流傳感器搭建測量系統，結合Phyphox軟件進行數據采集和分析，具備以下優點：其一，實時監測水果電池的電壓和電流變化，有利于提高實驗的準確性和穩定性 ；其二，利用Phyphox軟件記錄和分析數據，快速獲取水果電池的電動勢和內阻等重要參數；其三，教師和學生操作方便，實驗效率高；其四，學生參與實驗數據分析和討論，深入理解水果電池的特性和電化學原理。

課標提倡利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，養成科學思維習慣。教師引導學生利用現代信息技術開展實驗探究，采用圖像法處理實驗數據，能夠提高實驗效率，促進信息技術與中學物理教學的融合，減小實驗誤差。本案例，電壓、電流傳感器制作成本較低，制作難度不大，具備可推廣性，能夠滿足課堂教學中的分組實驗需求，讓學生自主探究，深入理解物理概念和規律，培養科學思維和科學探究能力。實踐表明，學生經歷實驗方案的設計與優化過程，逐步提高了設計實驗的科學探究素養，激發對物理和化學的興趣，培養實驗操作能力和數據分析能力。

注：本文系國家留學基金（China Scholarship Council國家留學基金委員會批準）項目、2022年云南師范大學優勢本科專業核心課程建設項目“中學物理學科教學設計”（項目編號：2022zyhxkc05）、云南師范大學2021年本科在線開放課程項目“中學物理學科教學設計”（項目編號：2021zxkc04）的研究成果。

參考文獻

[1] 周艷，張靜，夏校萌.基于ESP32單片機和Phyphox軟件的“超重和失重”演示儀創新設計[J].中學物理，2024（5）：55-58.

[2] 楊玉琴.關于“水果電池”的實驗探究[J].化學教學，2008（1）： 17-18.

[3] 高潔，潘蘇東，陳剛.指向核心素養的物理教學目標設計理念[J].課程·教材·教法，2018（12）：100-104.

（作者梁建雄系云南師范大學物理與電子信息學院碩士研究生；李紅梅系云南師范大學物理與電子信息學院副教授）

責任編輯：祝元志