利用Arduino和LabVIEW探究電磁感應定律*

胡博 鄒建中

(新余市第四中學 江西 新余 338000)

“重視科學探究能力的培養和信息技術的應用”是2017年版《普通高中物理課程標準》中提出的4個教學建議之一[1].當今社會，信息技術的發展日新月異，對生活與學習的影響無處不在.將信息技術發展成果與高中物理實驗教學進行融合可以解決很多以前難以實現的疑難實驗問題.

1 LabVIEW與Arduino簡介

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種進行虛擬儀器開發的圖形化編程軟件，可以對計算機外部硬件采集到的數據進行實時處理，并在計算機軟件面板上實時顯示測量結果，廣泛應用于工業領域和學術研究領域[2].

Arduino是一種開源的單片機控制器，有開放源代碼的軟硬件平臺.硬件部分由單片機及控制系統組成，目前已經推出Uno，Nano等十幾種型號，配套的Arduino IDE軟件具有類似C語言的開發環境，語法結構簡單，已有豐富的開發案例可供參考.由于Arduino采用開源協議，控制器價格低廉，使用成本低，極受電子愛好者和創客的歡迎[2].

使用Arduino作為下位機進行數據采集并輸送到計算機，采用LabVIEW作為上位機進行數據處理及實時顯示，兩者結合既避免了采購價格昂貴的數據采集卡等硬件設備，又解決了數據實時處理及顯示、記錄等難題.

2 實驗裝置設計與測量系統搭建

法拉第電磁感應定律是高中物理教學的重要內容.由于實驗條件所限，傳統教學往往直接給出結論[3]，教學效果不佳.經查閱文獻發現，將LabVIEW或Arduino應用于中學物理實驗教學已有一定的研究[4，5].I.Ishafit等人借助LabVIEW與Arduino設計了一套實驗裝置進行磁場的測量[6].本文在此基礎上以探究電磁感應定律為例，介紹如何使用LabVIEW和Arduino自制教具來改進高中物理實驗教學.實驗裝置如圖1所示.裝置可分為感應電動勢產生系統和感應電動勢測量系統兩部分.

圖1 實驗裝置實物圖

2.1 感應電動勢產生系統

如圖2和圖3所示，面板上固定有采用同種漆包線繞制而成的3組線圈，面板中央的電機輸出軸上固定有支架，支架上對稱安裝有10片相同的厚度為2 mm、長寬均為5 mm的薄片狀釹鐵硼磁鐵.面板右下方安裝有電機開關，當按下開關接通電源時，電機帶動磁鐵勻速轉動經過這些線圈正上方，線圈中產生感應電動勢.

1.電機轉軸;2.磁鐵;3.A組線圈;4.B組線圈;5.C組線圈;6.電機電源開關;7.C組線圈接線端;8.B組線圈接線端;9.A組線圈接線端;10.Arduino Nano控制器

圖3 感應電動勢產生系統背面結構圖

A組和C組線圈固定在以轉軸中心為圓心的同一圓周上.A組5個線圈是邊長均為4.0 cm的正方形，匝數不同，分別為200匝、250匝、300匝、350匝、400匝，用于探究感應電動勢和匝數的關系.C組5個線圈均為300匝，面積不同，每個線圈長邊均為4.0 cm，但寬度不同，分別是2.0 cm，2.5 cm，3.0 cm，3.5 cm，4.0 cm，安裝在面板上時長邊沿著圓弧切線，短邊沿半徑方向，這樣做的目的是保證同一磁鐵經過同一圓弧上的這些線圈時磁通量的變化量不同，但是磁通量的變化時間相同，探究感應電動勢和磁通量變化量的關系.B組線圈匝數和面積均相同，匝數為300匝，長寬均為4.0 cm，安裝在面板上以轉軸中心為圓心的圓的同一條半徑上，依次向外排開，線圈中心離轉軸中心的距離分別是：5.5 cm，11.5 cm，17.5 cm，23.5 cm，29.5 cm，磁鐵轉動時5片相同的磁鐵恰好可以從5個線圈的正上方經過，由于磁鐵經過的線速度不同，從而磁通量變化時間不同，用以研究感應電動勢和磁通量變化時間的關系.

2.2 感應電動勢測量系統

測量系統以Arduino Nano控制器為下位機采集數據，以LabVIEW為上位機將測量結果實時顯示，如圖4所示.

圖4 測量系統框圖

Arduino Nano控制器體積小、模擬輸入端口多，如圖5所示，其模擬端口可以直接讀取0～5 V的電壓.具體而言，首先使用Arduino IDE軟件編寫程序并上傳到Arduino Nano控制器.通過程序調用A0至A4共5個模擬輸入端口實時采集同一組5個線圈中的感應電動勢大小，對數據進行初步處理后采用串口通訊的方式將數據傳輸至計算機.使用時只需將線圈導線一頭接入到Arduino Nano控制器的GND端口(公共端)，另一頭按照對應關系依次接到Arduino Nano控制器的A0至A4端口.Arduino程序部分主要采用CASE結構來響應上位機的請求并返回相應端口的數據[2].

圖5 Arduino Nano控制器

在計算機上使用LabVIEW軟件作為上位機，借助VISA插件與Arduino進行串口通訊，獲得Arduino Nano控制器測量到的數據，同時設置好前面板用來實時顯示測量到的5個線圈的感應電動勢的大小.LabVIEW前面板如圖6所示，LabVIEW程序框圖如圖7所示.

圖6 LabVIEW上位機前面板

圖7 端口1對應的LabVIEW上位機程序

2.3 使用方法說明

首先用導線將所選擇的某組5個線圈的5個接線柱按照順序與Arduino Nano控制器的模擬輸入端口A0至A4連接.再使用USB電纜將Arduino Nano控制器與計算機連接，并在計算機上啟動LabVIEW軟件，打開該實驗的VI文件，選擇Arduino Nano控制器連接的串口端口.需要進行實驗測量的時候按下面板上的電機開關，然后點擊LabVIEW軟件菜單中的運行按鈕即可實時測量.

3 實驗過程及結果討論

3.1 探究電動勢與線圈匝數的關系

表1 感應電動勢與線圈匝數關系實驗數據

使用Excel軟件做出散點圖后可以看到數據點幾乎都在一條過原點的直線上，進行線性擬合得到結果如圖8所示.

圖8 感應電動勢和線圈匝數的關系

根據圖像可以得出：感應電動勢大小和線圈匝數成正比.

3.2 探究電動勢與磁通量變化時間的關系

B組線圈匝數和面積均相同，對應支架上5片磁鐵也相同，保證了磁通量變化量相同.由于B組各線圈到轉軸中心的距離不同，支架上對應的磁鐵經過時線速度不同，所以時間肯定不一樣.根據圓周運動的規律，磁通量發生變化的時間

式中l為轉過的弧長，v為轉動的線速度，r為轉動的半徑，ω為轉動的角速度.磁鐵經過時轉過的弧長可以認為近似相等，同軸轉動角速度一樣，所以Δt和轉動半徑(即線圈中心到轉軸中心的距離)成反比.

教學中某次實驗測量到的數據如表2所示.做出散點圖后進行線性擬合得到結果如圖9所示.根據圖像可知：感應電動勢大小和轉動半徑成正比，再結合前文分析可知感應電動勢大小和磁通量變化時間成反比.

表2 感應電動勢與磁通量變化時間關系實驗數據

圖9 感應電動勢和轉動半徑的關系

3.3 探究電動勢與磁通量變化量的關系

C組5個線圈匝數相同，固定在同一圓周上，由于線圈沿圓周方向均為4.0 cm，支架上外側磁鐵經過線圈時間相同，即磁通量變化時間相同.但寬度不同，因此面積不同，磁通量變化量不同.教學中某次實驗測量數據如表3所示，進行線性擬合結果如圖10所示.根據圖像可以得出：感應電動勢大小和線圈面積成正比，再結合前文分析可知感應電動勢大小和磁通量變化量成正比.

表3 感應電動勢與磁通量變化量關系實驗數據

圖10 感應電動勢和線圈面積的關系

3.4 實驗結論

4 結束語

該實驗方案克服了感應電動勢大小難以調節和測量的困難，為定量探究法拉第電磁感應定律創造了條件，基于此進行法拉第電磁感應定律的實驗教學，有利于學生對法拉第電磁感應定律有更深刻的認識，同時實驗教學過程可以提升學生的“科學探究”核心素養.

物理學是一門實驗科學，物理規律的建立離不開實驗.考慮到實際教學需求和傳感器、計算機等信息技術的發展，將LabVIEW和Arduino應用于高中物理實驗裝置的開發是非常有必要的.一方面能夠很好地完成許多以前難以完成的、或者完成效果不好的定量實驗.另一方面，把新技術、新方法適當地引入課堂，能夠讓學生更積極、更加主動地認識科學技術的發展對物理學科乃至整個社會的影響，進一步培養學生的“科學態度與責任”核心素養.