自制教具量化流體壓強與流速關系的演示

王正

【內容摘要】本文以江蘇教育版八年級物理10.3氣壓為例，對流體壓力與流速關系進行的實驗進行分析，設計制作了教具，用以定量測定流速與壓強的關系，以直觀的實驗現(xiàn)象得到流體壓強與流速的關系。文中闡述了自制教具的設計思路、器材選擇思路、硬件連接和軟件程序設計的具體方法，以及后續(xù)進一步改進完善的設想。為有相同想法的同行提供一個參考。

【關鍵詞】自制教具 流體壓強 物理實驗

流體，是與固體相對應的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱。在初中物理八年級下10.3中，課本講到了流體的壓強，文中通過三個實驗來說明壓強與流速的關系：在一張紙條上方吹氣，紙條向上飄起；吹氣球，氣球向氣流方向運動；向倒扣的漏斗里吹氣時乒乓球不會掉下去。綜合三個實驗現(xiàn)象分析得出：流體中流速越大的地方壓強越小。筆者認為，流體中壓強與流速的關系并沒有很好的交代清楚，實驗中只演示了空氣不流動和空氣流動兩種情況下壓強的大小關系，而并沒有說明流體中壓強大小和流速的關系。為了能更直接的顯示流體壓強與流速的關系，筆者設計和制作了流體壓強與流速關系的演示儀，經實際測試使用，效果良好，解決了書本實驗結論的得出比較牽強的弊端，也更利于學生了解流體壓強與流速的關系。該裝置具體設計制作方法如下。

一、 設計思路

教材中只有實驗的演示，但實驗現(xiàn)象的說服力不強。為了能直觀的顯示壓強與流速的關系，就必須以適當?shù)姆椒ò巡煌魉傧碌膲簭娭禍y出來。因此，筆者的設計關鍵在于如何實時的測定氣體內部的壓強，并且，還需要以適當?shù)姆绞桨褜崟r測得的氣壓值顯示出來，再配合空氣流速的改變，不間斷的測定氣壓值和輸出顯示，只有這樣，才能確切的說明流體的壓強和流速之間是否有關，以及有什么關系。

二、 器材選擇

要實時的測定氣壓，傳統(tǒng)的水銀氣壓計也好、金屬盒氣壓計也好，都因體積過大，不便于攜帶和操作的原因而不適合此實驗的需要。因此，筆者想到了使用氣壓傳感器。通過查閱相關資料，選定了BOSCH公司出品的BMP180氣壓傳感器。這是一款高精度，小體積，超低能耗的壓力傳感器。它的性能卓越，反應時間可以達到7.5ms，精度低可以達到0.03hPa，可以輕松的通過I2C總線直接與各種微處理器相連，無需額外的供電，能很好的滿足實驗的需求。

要改變空氣流速，需要使用風扇。筆者試過幾種方法，最先想到的是用普通的電扇，但實驗中發(fā)現(xiàn)，普通的電扇體積太大，不便移動，最關鍵的是風速達不到要求。還試過玩具電機，但電機功率太小，產生的風速也不夠。全部否定之后，通過查閱電機的相關資料，決定使用空心杯航模電動機。這種電動機功率很大，體積小巧，裝上螺旋槳后，可以產生很高的風速。作為一種高效的能量轉換裝置，其重量和慣性矩很小，轉子本身的機械能損失很少，不僅具有出色的節(jié)能特性，更重要的是，它具有鐵芯電機無法實現(xiàn)的控制和拖曳特性，與L298N電機驅動板相匹配，可以準確快速地控制速度，達到調節(jié)風速的目的。

要控制傳感器實時讀取，還要把讀取的數(shù)據(jù)處理和顯示出來，同時也要調節(jié)控制電機轉速，再綜合考慮整個裝置的移動性和可靠性，對上述要求的分析最終決定這些硬件必須通過單片機系統(tǒng)集成。目前，市場上有許多成熟的單片機系統(tǒng)，綜合性能、成本、易用性和筆者的程序設計能力，最終選擇了Arduino平臺來實現(xiàn)這些功能。Arduino是一款易于使用的開源電子原型制作平臺。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是Arduino板，可用于電路連接；另一個是ArduinoIDE，它是計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino的編程語言的語法基于C++語言，是一種非常成熟的計算機語言，互聯(lián)網上有大量的示例可供參考，這在后續(xù)的程序設計中也起到了很大的作用，可以避免走很多彎路。

三、 制作方法

1. 硬件的連接

硬件連接的核心是Arduino開發(fā)板的連接。首先連接顯示輸出部分。I2C總線接口的1602LCD有4個接線端，分別是VCC、GND、SDA、SCL，對應連接到Arduino開發(fā)板的相應端口。其次是讀取氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，BMP180氣壓傳感器也是通過I2C總線與開發(fā)板連接的，模擬端口A3和A4配置為SCL和SDA，分別連接BMP180的SCL和SDA，VCC和GND可以與1602LCD顯示屏的相應接口并聯(lián)。電機驅動電路L298N的N1、N2、N3、N4分別連接開發(fā)板的數(shù)字端口3、4、5、6，ENA和ENB作為控制信號輸入連接開發(fā)板的數(shù)字10、11端口，以便通過PWM信號占空比來控制電機轉速。為了便于通過開關控制風扇轉速，在2腳和GND間接入下拉電阻，用自復位開關連接2腳和VCC，以點按的方式提供觸發(fā)信號，達到分段調節(jié)風速的目的。考慮到整個裝置的移動性和使用的穩(wěn)定性，使用了3個18650的鋰離子電池串聯(lián)的電池盒供電，通過5521DC接口和主機連接。實測在充滿電的情況下可連續(xù)工作24小時以上，足夠日常演示使用。5521接口同時也支持外接DC12V電源，這是一種非常常見的電源，萬一遇到電量不足，可以隨時用DC12V電源連接供電。

2. 程序設計

#include //載入必要庫文件

#include //載入必要庫文件

LiquidCrystal_I2C lcd（0x27，16，2）； //設置1602顯示屏總線地址

#define BMP180ADD 0xEE>>1 // 定義BMP180氣壓傳感器總線地址

void loop（） //程序循環(huán)部分，用于循環(huán)測量氣壓

{

if （digitalRead（s）==1） //判斷2腳信號

{

sPushCounter++；

if （sPushCounter==6）

{

sPushCounter=0；

}

RunFan（）； //調用風扇控制子程序

delay（150）； //延遲150ms

}

calculate（）； //調用BMP180數(shù)據(jù)讀取和處理子程序

show（）； //調用顯示子程序將結果顯示到LCD屏

}

以上是程序設計的主要部分，引腳定義部分和各個子程序的設計，限于篇幅，不在此贅述。

該裝置在實際使用中，反應靈敏，表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，能方便的通過按鈕改變電機轉速調節(jié)空氣流速，同時讀取實時的氣壓值顯示在屏幕上，與教材的演示實驗實現(xiàn)了互補，有效的解決了書本演示實驗的不足，學生可以更準確地了解流體速度與流體內部壓強之間的關系。當然，使用過程也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。比如由于BMP180為民用級別的氣壓傳感器產品，氣壓讀數(shù)有時不夠穩(wěn)定，數(shù)值會有波動；開關方式的控制只能把電機轉速固定在幾個特定的檔位，不利于規(guī)律的得出。這些不足之處筆者也在思考改進中，后期設想通過數(shù)學算法的改進來過濾數(shù)值的抖動問題，以便實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出；通過更換電位器也可以連續(xù)調節(jié)電機速度來改變空氣流速。

總之，初中物理的實驗教學有還許多值得深入推敲的地方，物理教師要充分發(fā)揮自己的智慧，多思考，多練習，創(chuàng)造更多對教學有益的教具。

（作者單位：昆山市第二中學）