基于Arduino測量的“姆潘巴現(xiàn)象”

李守良 張敬云 謝作如

在同等體積和同等冷卻環(huán)境下，溫度略高的液體比溫度略低的液體（非純水）先結(jié)冰的現(xiàn)象，被稱之為“姆潘巴現(xiàn)象”，這個(gè)現(xiàn)象以坦桑尼亞學(xué)生埃拉斯托·姆潘巴的名字命名。然而最近在網(wǎng)上看到的帖子卻反映，溫度略高的液體不一定比溫度略低的液體先結(jié)冰。為了探究是否存在這個(gè)現(xiàn)象，我們決定使用Arduino和一些傳感器相結(jié)合制作一個(gè)驗(yàn)證“姆潘巴現(xiàn)象”的裝置，并使用該裝置測量液體溫度在不同時(shí)間上的變化，然后畫出函數(shù)圖像，觀察不同溫度的液體在冰箱里的溫度是如何變化的。

“姆潘巴現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置之前，我們需要確定實(shí)驗(yàn)器材。由于需要將器材放入密閉狀態(tài)下的冰箱，所以必須使裝置脫離電腦處于離線狀態(tài)，因此我們首先需要解決數(shù)據(jù)的傳輸、保存問題。

既然是密封狀態(tài)，我們不僅要放棄用數(shù)據(jù)線傳輸?shù)姆绞剑膊荒芸紤]藍(lán)牙、WiFi等方式，只能考慮如何將數(shù)據(jù)保存下來。當(dāng)然，將一部手機(jī)或者樹莓派和Arduino一起放進(jìn)冰箱，似乎也是一種方案，但感覺有些大材小用。

既然不能實(shí)時(shí)傳輸，我們還可以選擇保存。Arduino自帶的空間肯定是不夠用的。有一款EEPROM數(shù)據(jù)存儲模塊，是通過I2C總線來與Arduino進(jìn)行連接，并且采用可插拔的芯片，是可行的方案。但是我們翻了翻創(chuàng)客空間的器材，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)成的SD卡模塊，這比EEPROM方便得多，因?yàn)镸ixly0.95已經(jīng)增加了讀寫SD卡的功能（如表1）。

為了測量液體牛奶的實(shí)時(shí)溫度，我們本來可以用普通的LM35溫度傳感器，用薄膜包一下做防水處理。但考慮到測量效果，最后還是買了2個(gè)防水的溫度傳感器。

綜上所述，具體的“姆潘巴現(xiàn)象”裝置連接圖如圖1所示，制作本品所需要的材料和說明如表2所示。

由于本裝置需要放置在潮濕的冰箱中，我們需要將各種傳感器和Ardunio封裝起來，所以我們利用身邊的3D打印機(jī)制作了一個(gè)封裝模塊（如圖2），其實(shí)直接找個(gè)紙盒封裝也是可以的。

代碼編寫

本次實(shí)驗(yàn)代碼比較簡單，無非是獲取溫度，然后寫到SD卡中。很遺憾Mixly0.95還不支持DS18B20防水溫度傳感器，我們只好使用Arduino IDE來編寫。相信大家看到這篇文章的時(shí)候，Mixly就能夠支持防水溫度傳感器了。

具體的代碼如圖3所示，限于篇幅，我們?nèi)コ薵etTemp（ ）和getTemp01（ ）這兩個(gè)函數(shù)代碼。完整的代碼將提供在謝作如的新浪博客上。

測試效果

為了測試實(shí)驗(yàn)效果，我們選擇同樣300ML，日常飲用的57度熱純牛奶放入-5℃的冰箱中，通過一段時(shí)間的觀察后，將搜集到的數(shù)據(jù)從SD卡中復(fù)制到Excel中，制作出T-t的圖像（如圖4）。

通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，為了獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們需要注意以下內(nèi)容：①將各種裝置連接好之后，務(wù)必要封裝，以防止潮濕的冰箱環(huán)境對裝置產(chǎn)生損害。②為了搜集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要將防水溫度傳感器固定在純牛奶中，在測量的過程中要確保不打開冰箱，以免影響測量效果。

其實(shí)，在真實(shí)的測量過程中，我們還發(fā)現(xiàn)了種種問題，如一開始使用口香糖電池，結(jié)果電池在冰箱一凍就沒電了，白等了幾個(gè)小時(shí)。而且我們發(fā)現(xiàn)在加電前要先插好SD卡，否則數(shù)據(jù)沒法正常寫入。

知識拓展

我們通過身邊的工具完成一個(gè)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)并不是一件很難的事情，現(xiàn)在創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)已經(jīng)將電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的門檻降得很低。我們還可以通過數(shù)據(jù)采集去探究一些有爭議的科學(xué)現(xiàn)象，關(guān)鍵是選擇合適的傳感器和簡單的編程。因此開設(shè)相關(guān)課程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些傳感器和編程知識是很有必要的。至于這個(gè)“姆潘巴現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)，我們還會繼續(xù)用這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置測量更多的數(shù)據(jù)，以深入探究背后有什么樣的科學(xué)原理。