詹善生?梅曉璇?湯金波

近年來，對中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查，經(jīng)常見諸高考物理試卷。電學(xué)實(shí)驗(yàn)靈活多變，命題者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)多是圍繞伏安法進(jìn)行的。如果教師對傳統(tǒng)電壓表和電流表進(jìn)行數(shù)字化改造，那么很多傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的提質(zhì)增效、創(chuàng)新電學(xué)實(shí)驗(yàn)的孕育生發(fā)將水到渠成、事半功倍。筆者用ESP32通用芯片及ADS1115高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集傳感器原始數(shù)據(jù)，以phyphox為數(shù)據(jù)顯示終端，搭建了以伏安法為核心測量方案的中學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺具有移動(dòng)性強(qiáng)、參與性好、性價(jià)比高等特性，有成為中學(xué)師生電學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)通用設(shè)備的潛力。

一、Phyphox物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺簡介

Phyphox是一款手機(jī)應(yīng)用軟件，它能很好地提取智能手機(jī)內(nèi)置的MEMS傳感器采集到的數(shù)據(jù)。師生利用智能手機(jī)和Phyphox做實(shí)驗(yàn)，可極大地拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作空間。但該軟件在物理教學(xué)、研究、應(yīng)用方面也存在不足：缺少與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效整合策略，教學(xué)價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘；缺少自定義創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)開發(fā)，受Arduino編程技術(shù)門檻限制，進(jìn)展緩慢；實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度不一，受手機(jī)自身傳感器靈敏性影響較大[1]。筆者設(shè)計(jì)Phyphox物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺（以下簡稱平臺）的目的之一就是契合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)瓶頸。另外，筆者以伏安法為思維路徑整體設(shè)計(jì)平臺，使自定義實(shí)驗(yàn)開發(fā)具有系統(tǒng)性，為相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供支撐。平臺借助通用芯片ESP32和高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADS1115的強(qiáng)大技術(shù)功能，突破了手機(jī)自身傳感器靈敏度限制，同時(shí)以藍(lán)牙傳輸，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)的顯示和處理終端分開，極大地提高了實(shí)驗(yàn)時(shí)的移動(dòng)自由度和手機(jī)安全性。

（一）平臺的硬件構(gòu)成（材料準(zhǔn)備）

平臺由兩塊ESP32、兩塊ADS1115、5 V鋰電池供電模塊（內(nèi)置升壓板）、安卓一母二公數(shù)據(jù)線、面包板、杜邦線構(gòu)成（如圖1）。

（二）平臺的環(huán)境搭建與實(shí)驗(yàn)操作

平臺環(huán)境搭建與實(shí)驗(yàn)操作基本步驟如下。

第一步：將ESP32與電腦連接，在電腦Arduino IDE（可以在Arduino官網(wǎng)下載到電腦安裝）中配置好環(huán)境和程序并點(diǎn)擊上傳燒錄（掃碼獲取代碼和詳細(xì)操作方法）。

第二步：用Phyphox掃描二維碼，添加本文案例中涉及的自定義實(shí)驗(yàn)。

第三步：將ADS1115和ESP32連接起來（如圖2）。A0為電表正極，A1為電表負(fù)極，電表默認(rèn)為量程±3 V，精度為1 μV的高精度電壓表。操作者在引腳間并入已知定值電阻并進(jìn)行換算即可改造出電流表。

第四步：將ADS1115的A0（＋）和A1（－）接入（包含各種傳感器的）外電路，用安卓數(shù)據(jù)電源線給ESP32通電，啟動(dòng)phyphox自定義實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開始接收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第五步：在Phyphox中對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，或者導(dǎo)出到電腦端進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，開展誤差評估，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（三）平臺的應(yīng)用優(yōu)勢

平臺具有如下優(yōu)勢：其一，由于加入了ADS1115，數(shù)據(jù)精度得到極大提高，完全能夠滿足中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的需要；其二，借助ADS1115，可以方便地測量負(fù)電壓、負(fù)電流，直接采集低頻的交流信號；其三，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示，效能與專業(yè)傳感器實(shí)驗(yàn)平臺相當(dāng)，但成本低廉，可以極大降低各類學(xué)校部署平臺的資金壓力；其四，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還可以上傳到Phyphox官網(wǎng)上進(jìn)行在線二次編輯，具有極大的靈活性，能滿足師生后續(xù)高階創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需求。

簡言之，平臺的競爭力體現(xiàn)在低成本地搭建了高質(zhì)量的以智能手機(jī)為移動(dòng)顯示終端的可二次設(shè)置的交直流電壓表和電流表，凡是基于伏安法設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)都可以借此完成，具有很好的擴(kuò)展性。

二、基于平臺的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)示例

（一）測量地磁場

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，地磁場是非常好的勻強(qiáng)磁場。根據(jù)交流發(fā)電機(jī)模型可知，如果線圈在地磁場中勻速旋轉(zhuǎn)，就會產(chǎn)生較為標(biāo)準(zhǔn)的正弦式交流電。師生通過平臺測量出感應(yīng)電動(dòng)勢，進(jìn)而測得當(dāng)?shù)氐卮艌龃鸥袘?yīng)強(qiáng)度（如圖3）。

實(shí)測發(fā)現(xiàn)，師生用上述方法測量出的結(jié)果非常符合直接用手機(jī)內(nèi)置的磁力計(jì)測量的結(jié)果（如圖4），相對誤差穩(wěn)定控制在2%以內(nèi)。為了方便操作，筆者僅用一個(gè)ESP32和一個(gè)ADS1115（圖1中的一半器材，電源用更小的鋰電芯）構(gòu)建系統(tǒng)，使得平臺體積縮小，置于數(shù)據(jù)處理盒中（線圈的兩個(gè)線頭從中空轉(zhuǎn)軸穿過與平臺的A0、A1引腳連接）。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)平臺采集數(shù)據(jù)測量電壓的精度很高，對于微特斯拉級（μT）的弱電磁場也能準(zhǔn)確測量。平臺的數(shù)據(jù)采集功能得到成功應(yīng)用。

（二）探究楞次定律

使用實(shí)驗(yàn)器材（如靈敏電流計(jì)）觀測感應(yīng)電流有諸多不便，如指針晃動(dòng)不便于學(xué)生觀察，磁電式儀表指針和線圈體慣性及電磁阻尼都會影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)。筆者利用平臺很好地解決了? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上述問題，直接連續(xù)測量感應(yīng)電壓或者測感應(yīng)電流（當(dāng)作電流表使用時(shí)引腳并聯(lián)定值電阻），并用圖表呈現(xiàn)在手機(jī)端。平臺之外的實(shí)驗(yàn)裝置和某次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

系統(tǒng)生成了磁鐵從線圈上方穿入和穿出過程感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)圖表。教師利用此裝置可以讓學(xué)生方便地觀察磁極反轉(zhuǎn)、磁鐵運(yùn)動(dòng)、線圈運(yùn)動(dòng)、線圈匝數(shù)對感應(yīng)電動(dòng)勢的影響。借助投屏，課堂上學(xué)生快速采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、清晰從容地觀察數(shù)據(jù)，其效果是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無法達(dá)到的。需要指出的是，ADS1115的A0、A1引腳間電阻高達(dá)數(shù)百兆歐姆，電壓表性能非常理想。引腳間不并聯(lián)定值電阻時(shí)測出的值可以直接視為感應(yīng)電動(dòng)勢的數(shù)值。

（三）探究電容器充放電規(guī)律

筆者將ADS1115的A0、A1引腳并聯(lián)一個(gè)定值電阻R，用測得的電壓除以R的阻值，得到電路中的電流。這樣，一臺精密的電流表就制作完成。學(xué)生用它來探究電容器的充放電規(guī)律，效果極佳。實(shí)驗(yàn)器材連接及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

上述案例中，學(xué)生使用平臺的測量電流功能，成功捕捉到電容器充放電電流的規(guī)律。教師還可以指引學(xué)生參與拓展活動(dòng)，例如探究電路電阻、電容是如何影響充放電進(jìn)程的。

（四）測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻

師生單獨(dú)使用電壓表功能或電流表功能，平臺性能優(yōu)越，表現(xiàn)良好。如果要同時(shí)測量兩個(gè)電學(xué)量，可通過雙藍(lán)牙采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即讓兩套ESP32獨(dú)立運(yùn)行，收集的數(shù)據(jù)再經(jīng)Phyphox匯總，實(shí)現(xiàn)多路傳感器信息的融合。這樣就可以極大地增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺的擴(kuò)展能力。下面以中學(xué)物理電學(xué)中的核心實(shí)驗(yàn)——測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻為例，來檢驗(yàn)平臺的性能。實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

筆者對伏安特性曲線進(jìn)行線性擬合（如圖8），得到函數(shù)關(guān)系I=-0.071U+0.109，改寫成U=1.535-14.08I。等效電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的測量值分別為1.535 V和14.08 Ω，電動(dòng)勢與多用電表直測值吻合（因?yàn)殡姵睾猩洗?lián)了一段13 Ω的電阻絲，故電壓表接口到電源兩端的杜邦線電阻以及電池本身內(nèi)阻之和應(yīng)在1.08 Ω左右）。從電動(dòng)勢的結(jié)果看，相對誤差在1.4%以內(nèi)，這表明，平臺在融合傳感器數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)依然出色。

教師開展測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如果用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，不僅操作煩瑣、讀數(shù)時(shí)人為因素多，而且電路通電時(shí)間長，會導(dǎo)致電源內(nèi)阻以及電路電阻因?yàn)闇囟鹊纫蛩馗淖円饠?shù)據(jù)漂移（水果電池更是如此），影響測量精度。筆者借助平臺來操作此實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集過程只需十秒鐘左右即可全部完成（電阻絲上滑動(dòng)觸頭從一端移動(dòng)到另一端的時(shí)間），克服了上述困難。本案例證明平臺在同時(shí)輸入兩路獨(dú)立的電壓、電流信號時(shí)，性能良好且穩(wěn)定。

三、總結(jié)

綜上，Phyphox中學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺具有優(yōu)良的性能和數(shù)據(jù)融合處理能力。理論上，一切基于電壓和電流測量的實(shí)驗(yàn)都可以在平臺上進(jìn)行，當(dāng)然包括伏安法思維指引下的所有實(shí)驗(yàn)。有了這個(gè)平臺，學(xué)生可以從機(jī)械地采集與處理數(shù)據(jù)的工作中解放出來，專注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新，使思維品質(zhì)得到更有效的鍛煉。平臺在外接不同傳感器時(shí)向?qū)W生呈現(xiàn)的就是一種實(shí)物化的物理學(xué)認(rèn)識路徑。

此創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺完全可以成為中學(xué)物理學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的孵化器，成為所有人的探索和創(chuàng)新的技術(shù)工具。在這種低成本高精度不限時(shí)間、不限空間的隨身“移動(dòng)傳感器實(shí)驗(yàn)室”支持下，師生可將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意隨時(shí)隨地轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)操作和測量，提高實(shí)驗(yàn)效率。

注：本文系北京物理學(xué)會2022—2023年度教育科研立項(xiàng)課題“基于Phyphox移動(dòng)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)認(rèn)識方式的研究”（課題批準(zhǔn)號：WLXH222007）的階段性研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張綺夢，李德安.國內(nèi)外Phyphox應(yīng)用于物理教學(xué)的研究與展望[J].物理通報(bào)，2022（7）：153-159.

（作者詹善生系安徽省池州市第一中學(xué)教師；梅曉璇系北京市和平街第一中學(xué)教師；湯金波系江蘇省南京師大附中樹人學(xué)校特級教師）

責(zé)任編輯：祝元志