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.