在中學(xué)物理實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)測量電池電動勢和內(nèi)阻的方法存在不足，如操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理煩瑣、實驗誤差較大等，影響實驗教學(xué)效果以及學(xué)生對物理概念和規(guī)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(xué)生掌握測量電池電動勢和內(nèi)阻的方法，并運用圖像法處理數(shù)據(jù)，體會其在物理研究中的作用。為解決傳統(tǒng)實驗設(shè)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(shè)計方案，以“實驗：電池電動勢和內(nèi)阻的測量”為例，搭建智能化測量裝置，實現(xiàn)對干電池和水果電池電動勢與內(nèi)阻的精準測量，優(yōu)化實驗流程，提升教學(xué)效果。

一、課標要求與實驗原理

課標要求學(xué)生應(yīng)掌握測量電池電動勢和內(nèi)阻的方法并運用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，加深學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解，同時促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。在中學(xué)物理實驗教學(xué)中，測量電池的電動勢和內(nèi)阻是電學(xué)實驗的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。傳統(tǒng)模式下，教師通常指導(dǎo)學(xué)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(shù)據(jù)處理較為煩瑣，實驗誤差較大，且難以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化。為了克服這些困難，筆者采用一種創(chuàng)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(jié)合Phyphox軟件進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和藍牙通信功能，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)實時傳輸?shù)揭苿釉O(shè)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(shè)備與Phyphox軟件相結(jié)合，讓學(xué)生在移動設(shè)備上實時查看實驗數(shù)據(jù)，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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)。利用Phyphox軟件對這些數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的直線斜率絕對值即為電池內(nèi)阻，截距則為電池電動勢。運用這種方法不僅可以簡化數(shù)據(jù)處理過程，還可以提高實驗準確性和效率。參與本實驗，學(xué)生不僅能夠掌握測量電池電動勢和內(nèi)阻的方法，還能深刻理解圖像法在物理研究中的應(yīng)用，提升科學(xué)探究能力和數(shù)據(jù)分析能力。此外，本實驗還展示了信息技術(shù)與傳統(tǒng)物理實驗的深度融合，為中學(xué)物理實驗教學(xué)提供了新的思路和方法。

二、裝置設(shè)計與制作流程

（一）電壓、電流測量裝置的設(shè)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(jié)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(yīng)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(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)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?shù)亩虐罹€，并將帶DC口的電池盒接入WCMCUESP-32擴展板的Power端口，驅(qū)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(lián)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(qū)動整個電流傳感器工作。

（二）軟件設(shè)計

筆者將ESP32單片機作為藍牙外圍設(shè)備與手機連接，將ADS1115模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換后發(fā)送至Phyphox軟件。如何實現(xiàn)Phyphox軟件中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式？筆者指導(dǎo)學(xué)生用Phyphox Editor編輯器完成設(shè)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(nèi)阻

1.實驗?zāi)康?/p>

本實驗旨在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的基本技能，讓學(xué)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(nèi)阻的方法，體會圖像法在物理研究中的作用，提升學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。

2.實驗設(shè)計

根據(jù)閉合電路歐姆定律，將電源電動勢E、內(nèi)阻r與路端電壓U、電流I的關(guān)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(shù)據(jù)，得出電源電動勢E和內(nèi)阻r。

3.實驗操作

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

（2）對數(shù)據(jù)進行記錄與處理。首先，閉合開關(guān)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(shù)值，盡量多記錄幾組數(shù)據(jù)。然后，完成數(shù)據(jù)記錄后，利用Phyphox軟件中的擬合數(shù)據(jù)功能擬合所記錄的數(shù)據(jù)。

4.實驗結(jié)論

擬合的數(shù)學(xué)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(nèi)阻r，截距3.16表示電動勢E。因此，干電池的內(nèi)阻為1.47 Ω，電動勢為3.16 V（內(nèi)阻和電動勢均保留兩位小數(shù)）。運用電壓、電流傳感器并結(jié)合Phyphox軟件測量干電池的電動勢和內(nèi)阻，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)可視化并快速擬合實驗數(shù)據(jù)，直接得出干電池的電動勢和內(nèi)阻，有效提高了效率。教師引導(dǎo)學(xué)生探究電源兩端的電壓與電流的關(guān)系，對客觀、真實的數(shù)據(jù)進行分析，形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論，幫助學(xué)生體會圖像法在研究問題中的作用，對數(shù)學(xué)表達式中常數(shù)的論證有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

（二）學(xué)生自主探究實驗——測量水果電池的電動勢和內(nèi)阻

1.實驗?zāi)康?/p>

課標倡導(dǎo)教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有利于他們積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學(xué)習情境。筆者將教材中本節(jié)內(nèi)容參考案例2“測量水果電池的電動勢和內(nèi)阻”設(shè)置為實驗探究活動^[2]，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，加強物理與生產(chǎn)生活的聯(lián)系，體現(xiàn)綜合性與設(shè)計性原則。

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

2.實驗設(shè)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(nèi)阻后，則需設(shè)計實驗方案并選擇合適的實驗器材^[3]。學(xué)生對水果電池電動勢和內(nèi)阻進行估測，選擇測量誤差較小、方便處理實驗數(shù)據(jù)的實驗器材。具體實驗探究設(shè)計流程如圖3所示。

（2）論證實驗方案的可行性。部分學(xué)生根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，可推斷出水果電池內(nèi)阻約為幾百歐。

設(shè)計好實驗方案后，如何論證實驗方案的可行性？學(xué)生根據(jù)已有知識基礎(chǔ)，設(shè)計“伏安法”測電阻的實驗方案。他們在論證實驗方案時發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)通過電路的電流，所測數(shù)據(jù)較為單一，容易導(dǎo)致測量的水果電池電動勢和內(nèi)阻誤差較大，故此方案不可行。

（3）對實驗方案進行優(yōu)化。由于滑動變阻器阻值有限，不能有效調(diào)節(jié)電流，可將滑動變阻器改為由多個10 kΩ的金屬電阻串聯(lián)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(fā)生改變。例如，左端導(dǎo)線與接觸點1連接，右端導(dǎo)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(dǎo)線與金屬電阻接觸點不變，改變左端導(dǎo)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(shù)改變。實驗方案優(yōu)化如圖4所示。

同時，筆者還引導(dǎo)學(xué)生設(shè)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(shè)計。采用“伏阻法”方案實驗時，根據(jù)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(shù)據(jù)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(dǎo)線、開關(guān)、檸檬（以測量檸檬電池的電動勢和內(nèi)阻為例）按照電路圖連接，結(jié)合Phyphox軟件完成實驗，連接實物。

第二步，記錄并處理數(shù)據(jù)。待線路連接好后，閉合開關(guān)，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(shù)值，記錄多組數(shù)據(jù)后將記錄的數(shù)據(jù)擬合分析。

第三步，分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。根據(jù)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(nèi)阻r為426.81 Ω。

4.實驗結(jié)論

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

水果電池的原理是水果中的酸性物質(zhì)（如檸檬中的檸檬酸）與金屬電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。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(shù)等因素有關(guān)；內(nèi)阻與極板大小、間距、插入水果深度等因素有關(guān)。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(xué)中可以設(shè)計影響水果電池電動勢和內(nèi)阻的因素這一探究實驗，幫助學(xué)生深刻理解水果電池的特性和電化學(xué)原理。

利用ESP32單片機和電壓、電流傳感器搭建測量系統(tǒng)，結(jié)合Phyphox軟件進行數(shù)據(jù)采集和分析，具備以下優(yōu)點：其一，實時監(jiān)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(wěn)定性 ；其二，利用Phyphox軟件記錄和分析數(shù)據(jù)，快速獲取水果電池的電動勢和內(nèi)阻等重要參數(shù)；其三，教師和學(xué)生操作方便，實驗效率高；其四，學(xué)生參與實驗數(shù)據(jù)分析和討論，深入理解水果電池的特性和電化學(xué)原理。

課標提倡利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，養(yǎng)成科學(xué)思維習慣。教師引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)開展實驗探究，采用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)，能夠提高實驗效率，促進信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)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(xué)中的分組實驗需求，讓學(xué)生自主探究，深入理解物理概念和規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。實踐表明，學(xué)生經(jīng)歷實驗方案的設(shè)計與優(yōu)化過程，逐步提高了設(shè)計實驗的科學(xué)探究素養(yǎng)，激發(fā)對物理和化學(xué)的興趣，培養(yǎng)實驗操作能力和數(shù)據(jù)分析能力。

注：本文系國家留學(xué)基金（China Scholarship Council國家留學(xué)基金委員會批準）項目、2022年云南師范大學(xué)優(yōu)勢本科專業(yè)核心課程建設(shè)項目“中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)設(shè)計”（項目編號：2022zyhxkc05）、云南師范大學(xué)2021年本科在線開放課程項目“中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)設(shè)計”（項目編號：2021zxkc04）的研究成果。

參考文獻

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

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

責任編輯：祝元志