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        基于Arduino單片機的一種熱學實驗儀

        2021-12-12 05:59:52劉丹琪胡志娟
        中學物理·高中 2021年12期
        關鍵詞:內能單片機

        劉丹琪 胡志娟

        摘 要:自制了基于Arduino單片機的熱學實驗儀,利用bmp180型大氣壓溫度傳感器測得系統(tǒng)在不同條件下氣壓和溫度的變化,探究了做功、氣壓與溫度的關系,有助于教師在課堂定量演示“做功改變內能”和“理想氣體狀態(tài)方程驗證”兩個實驗的教學.

        關鍵詞:內能;理想氣體狀態(tài)方程;Arduino;單片機

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:B 文章編號:1008-4134(2021)23-0045-03

        傳統(tǒng)的做功改變內能實驗有兩種:一種是用空氣壓縮引火儀演示;另一種是向玻璃容器內打氣,塞子彈起來證明.空氣壓縮引火儀容易引起玻璃炸裂,向玻璃容器內打氣,若塞子塞得太緊,塞子不容易沖出,要反復打氣,可能存在安全隱患[1].

        高中物理教材中有理想氣體狀態(tài)方程的教學內容,配有簡單的實驗,但是實驗過程沒有體現(xiàn)各個物理量之間定量的變化,學生能理解宏觀的現(xiàn)象,但是無法理解這個實驗物理量之間定量的關系.大學物理中進行理想氣體狀態(tài)方程驗證實驗使用的實驗儀器價格昂貴,實驗過程抽象,不適合在中學課堂使用.

        針對在以上兩個實驗教學中遇到的實驗成本高、測量精度低、成功率低、安全性差等問題,筆者設計了適合在中學課堂使用的熱學實驗儀,以幫助學生更好地理解這部分知識.

        1 軟硬件設備

        基于Arduino單片機的熱學實驗儀裝置設計圖如圖1所示,實物圖如圖2所示.實驗儀由實驗模塊和測量模塊兩部分組成.

        (1)實驗模塊:針對普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點,采用高硼硅材質的抽濾瓶代替普通的玻璃瓶[2].實驗模塊由上下咀抽濾瓶、針筒、噴嘴、乳膠塞等組成,針筒的主要功能是通過充氣或者抽氣對熱力學系統(tǒng)做功,改變壓強,噴嘴主要用來釋放氣體降低系統(tǒng)壓強,打孔的膠塞方便傳感器連接.

        (2)測量模塊:實驗原理如圖3所示,Arduino mega單片機作為實驗數(shù)據(jù)處理中心,將大氣壓溫度傳感器和液晶顯示屏接至單片機,將當?shù)睾0螌懭氲匠绦蛑校C正大氣壓測量的精準度,傳感器采集數(shù)據(jù),采集的數(shù)據(jù)通過單片機發(fā)送至液晶顯示屏模塊.

        初次使用時需將單片機連接至計算機,將程序輸入到單片機,之后實驗不再需要連接計算機,使用移動電源作為電源.

        2 實驗測試和數(shù)據(jù)處理

        2.1 實驗操作步驟

        實驗將考慮兩種情況,即外界對系統(tǒng)做功和系統(tǒng)對外做功.

        (1)將整個實驗裝置看作一個系統(tǒng),將針筒活塞拉到刻度200mL處,快速推進活塞,完成外界對系統(tǒng)做功的過程,觀察p和T的示數(shù)變化,并記錄溫度停止變化時顯示屏上的數(shù)據(jù).

        (2)將針筒處于閉合狀態(tài),快速抽拉活塞,完成外界對系統(tǒng)做功的過程,觀察p和T的示數(shù)變化,并記錄溫度停止變化時顯示屏上的數(shù)據(jù).

        2.2 做功改變內能驗證實驗

        以2.1實驗操作步驟(2)操作為例,每次實驗需要記錄兩組數(shù)據(jù).操作前,記錄顯示屏上的初始數(shù)據(jù),快速抽拉活塞,觀察顯示屏數(shù)據(jù)變化,當溫度數(shù)值不再變化時,立刻記錄顯示屏上的數(shù)據(jù).

        教師需對學生說明,熱力學系統(tǒng)壓強變化是動態(tài)的,即使不進行操作,壓強的數(shù)據(jù)也會產生輕微波動.

        2.3 驗證理想氣體物態(tài)方程實驗

        空氣可近似看作理想氣體,當實驗過程進行較快時熱力學系統(tǒng)可近似視為絕熱系統(tǒng).在這樣的條件下,使氣體的物質的量固定,改變系統(tǒng)的溫度和氣壓,探究熱力學系統(tǒng)氣體物質的量是否滿足n=pV/RT.判斷實驗是否成功的標準為n值偏差程度.空氣的氣體摩爾質量理論值為28.9643g/mol.

        按實驗步驟(1)進行實驗:記錄初始氣壓為p1,初始溫度為T1.實驗操作后,選擇溫度不再變化時刻的數(shù)據(jù)進行記錄,記錄末狀態(tài)氣壓為p2,末狀態(tài)溫度為T2,初狀態(tài)物質的量為n1,末狀態(tài)物質的量為n2.實驗前系統(tǒng)體積為1.7L,實驗后系統(tǒng)體積為1.5L.系統(tǒng)氣體物質的量理論值為n0=0.07589mol,數(shù)據(jù)見表1.

        數(shù)據(jù)分析結果見表2,n2/n1為實驗前后測量的氣體物質的量之比,n0是實驗前系統(tǒng)氣體物質的量的理論值,n1/n0為實驗前測量得到的氣體物質的量與理論值之比,理論差為實驗前測量值n1與理論值n0的相對誤差,平均為3.27%.前后差為n1和n2的相對誤差,平均為0.38%.

        圖4是根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)制作的n1與n0的誤差示意圖,實驗前測量值n1比理論值n0小,可以看出誤差在均勻可控的范圍內.如圖5是n1與n2誤差示意圖.實驗在不同條件下進行,每組數(shù)據(jù)實驗前后的誤差都很小.

        按照實驗步驟(2)進行降壓組的數(shù)據(jù)處理與上述內容基本一致,不再贅述.降壓組理論誤差平均為4.28%,前后誤差平均為0.29%.

        2.4 誤差原因分析

        (1)系統(tǒng)誤差:空氣的標準摩爾質量的參考值28.9643g/mol是在0℃、101.33kPa下實驗室中測量出來的,本實驗使用的空氣不處于標準狀況,并且含有水蒸氣和雜質,所以初始測量的氣體物質的量n1與理論值n0有偏差.

        (2)儀器誤差:bmp180型大氣壓溫度傳感器需要根據(jù)海拔矯正氣壓數(shù)據(jù),會產生難以避免的傳感器誤差.連接傳感器和Arduino單片機的杜邦線絕緣層不完全密封,會導致輕微的氣體泄漏,所以本實驗一定要在較快速的情況下進行.

        (3)讀數(shù)誤差:大氣壓強的值容易受到氣流的影響,所以充氣抽氣結束時,傳感器測得的氣壓值會突然產生幅度較大的變化,這是氣流擾動導致系統(tǒng)內氣壓不均勻造成的.所以要選擇溫度示數(shù)穩(wěn)定,氣壓回落至平緩狀態(tài)時讀數(shù),盡可能避免讀數(shù)產生的誤差.

        按實驗步驟(1)(2)各進行10組實驗,實驗前測量值n1與理論值n的平均誤差為3.8%,實驗前后測量值n1與n2平均誤差為0.47%,誤差在合理范圍內.

        3 結束語

        將Arduino系統(tǒng)引入中學熱學實驗,可以引導學生靈活結合各種傳感器進行探究實驗,例如將濕度傳感器加入本實驗儀,可以探究空氣濕度對實驗結果的影響,填補部分熱學實驗的空缺,亦可培養(yǎng)學生的物理探究創(chuàng)新思維.

        參考文獻:

        [1]江耀基,肖春燕,藍斗高.做功改變內能實驗演示儀[J].物理實驗,2019,39(12):54-55+59.

        [2]任少鐸.基于安全性的“做功改變內能”實驗改進[J].中學物理,2020,38(12):38-39.

        (收稿日期:2021-08-17)

        作者簡介:劉丹琪(1998-),女,寧夏銀川人,碩士研究生,研究方向:物理教學;

        胡志娟(1978-),女,四川萬源人,博士,副教授,研究方向:大學物理教學、信息光學.

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