數字顯示液體壓強計的設計及教學應用

張昌華

摘 ? 要：基于傳統教具的不足，對初中物理實驗用的液體壓強計進行再設計，采用諧振式液體水位傳感器、模擬TDS傳感器讀取液體深度和密度，并通過Arduino平臺處理計算出液體的壓強。通過應用數字式液體壓強計的教學案例，凸顯了它的實驗教學優勢，實驗現象更明顯，步驟更簡潔，數據讀取更直接，自制液體壓強計把信息技術應用在物理教學中，激發學生對前沿科技技術的求知欲。

關鍵詞：液體的壓強; 控制變量法 ;Arduino; 諧振式液體水位傳感器; 模擬TDS傳感器壓強計;自制教具

1 ?傳統實驗不足之處

初中物理的課程標準規定：“液體的壓強這節課的要求是，通過實驗，探究并了解液體的壓強與哪些因素有關”[ 1 ]。在現行的初中物理教材中，探究液體的壓強與哪些因素有關教學中通常采用教學過程是：先介紹“U”形壓強計原理和使用方法，讓學生了解液面高度差代表液體內部的壓強大小，從而為探究液體內部壓強提供測量儀器，再分步驟進行液體內部壓強影響因素探究[ 2 ]，但也存在較多不足。

（1）無法定量測量：學生需要掌握U形液體壓強計原理，壓強計是通過轉換法把壓強大小轉化為液面的高度差，無法直接測（讀）出壓強的大小，實驗只能定性觀察，無法定量測量，不夠直觀。

（2）穩定性弱：探究過程中存在探頭深度變化，而液面高度變化不明顯，不易觀察。這套傳統教具的探頭包著橡皮膜，橡皮膜使用時易破損或老化，然而該實驗對氣密性又有很高的要求，這個矛盾造成實驗存在不確定性，一旦橡皮膜漏氣，實驗現象將不明顯甚至無法進行實驗。

（3）傳統教具靈敏性差：在探究液體密度與壓強關系時，向液體加鹽時，液面高度差變化不明顯，不易觀察。

為克服以上所述不足，筆者把壓強計的結果數字化，不再通過觀察液面高度差來反映液體壓強大小，而是直接測出液體的壓強，使實驗更加直觀。為了實現改進的目標，本人設計并制作了數字顯示液體壓強計。

2 ?數字顯示壓強計的設計

2.1 ?實驗裝置組成及元件介紹（如圖1）

數字顯示壓強計組成有：Arduino、諧振式液體水位傳感器、模擬TDS傳感器、LCD1602液晶顯示屏、塑料探頭。

Arduino：是一種開源平臺，該平臺主要基于AVR單片機的微控制器和相應的開發軟件（ArduinoIDE）[ 3 ]。

諧振式液體水位傳感器：水位高低是根據與水壓氣管里的空氣壓力大小來判斷。

模擬TDS傳感器：用于測量水的TDS值。TDS（Total Dissdved Sdids）中文名：總溶解固體。

塑料探頭：由塑料盒和薄橡膠膜組成（和U形液體壓強計的探頭一樣），用于以諧振式液體水位傳感器的軟管的尾部相連，構造一個整體。

2.2 ?數字顯示壓強計原理

原理：實驗裝置利用Arduino與諧振式液體水位傳感器、模擬TDS傳感器連接，Arduino的數字接口讀取諧振式液體水位傳感器液體的深度，Arduino的模擬接口讀取模擬TDS傳感器液體的TDS值，通過軟件編寫建立TDS與液體密度的映射表（用比重計測出不同濃度鹽水的密度并同時用模擬TDS傳感器測出TDS值，建立二者之間映射關系）再由公式p=ρgh計算出液體壓強，并把深度和液體壓強在LCD1602液晶顯示屏顯示。

2.3 ? 數字顯示壓強計的特點

（1）將會實現液體的深度和壓強直接通過LCD液晶顯示屏顯示所測的結果，這是與傳統的“U”型壓強計最大的區別，也是這套器材的最大亮點。

（2）諧振式液體水位傳感器能夠直接讀取液體深度，誤差控制在3 cm以內，能夠及時的反饋液體壓強的變化。

（3）改進后實驗對密度變化特別靈敏，只要加少許的鹽，模擬TDS傳感器就有反應。

（4）改進后實驗用LCD1602液晶顯示屏具有背景燈功能，且像素高，使實驗數據更便于學生觀察。

3 ?數字顯示壓強計的實驗教學應用

教學應用案例：探究液體內部壓強的特點

【教師活動1】 （提出問題）根據前面的演示實驗我們知道液體內部存在壓強，那液體內部壓強大小跟什么因素有關？

【學生活動】 （猜想與假設）思考并回答：

猜想A：液體內部壓強可能與深度有關。

猜想B：液體內部壓強可能與容器形狀有關。

猜想C：液體內部壓強可能與方向有關。

猜想D：液體內部壓強可能與液體密度有關。

設計意圖：通過引導，讓學生提供猜想空間，為后面的實驗探究做準備。

【教師活動2】大家回答的很好，液體內部壓強大小可能跟深度、容器形狀、方向、液體密度有關，當我們遇到多變量問題，我們該怎么解決？

【學生活動】 ?根據上節進行探究壓力作用效果的因素實驗可知，多變量問題，一般采用控制變量法進行實驗探究。

設計意圖：讓學生體會控制變量法在實驗探究中有重要作用，初中階段應該要掌握的實驗方法。

【教師活動3】 （實驗探究）同學們，經過我們一起努力已經對液體壓強大小有了初步想法了，現在讓我們一起實驗驗證我們猜想。

3.1 ?探究1：液體壓強與液體深度h深的關系

器材：數字顯示壓強計、大容器（深度大于30 cm）、水。

實驗步驟：

（1）在容器中加入足夠多的清水，再把探頭慢慢浸入清水中，依次選擇三個不同深度點，在液晶顯示器上讀取深度h1，h2，h3，對應每點的壓強值p1，p2，p3，將數據填入表1中。

表1

利用表格數據可以進行定性分析得出實驗結論：液體內部的壓強跟深度有關，同種液體隨深度的增加而增大[ 4 ]。

（2）畫出壓強-深度函數關系，發現圖像是1條過原點的直線（圖2所示）。可以進行定量的分析得出實驗結論：同種液體壓強與液體深度成正比，也為下步學習定量液體壓強的公式提供佐證。

3.2 ?探究2：液體內部壓強與容器形狀關系

器材：數字顯示壓強計、兩個不同形狀的大容器（深度大于30 cm）、水。

實驗步驟：完成師生探究1實驗基礎上，改用不同形狀的容器用探頭測如表1所示相同深度的液體壓強，并記錄數據。分析數據可知：液體的壓強與容器的形狀無關。

3.3 ?探究3：液體內部壓強可能與方向的關系

器材：數字顯示壓強計、大容器（深度大于30 cm）、水。

實驗步驟：

在容器中加入足夠多的清水，采用控制變量法，控制探頭深度不變，改變探頭的方向，采集探頭向上、向下、向左、向右，四個方向的壓強讀數，為了驗證規律的普遍性，改變不同深度，多做幾組對比實驗，填入表2中。

表2

通過數據對比分析歸納出結論：液體內部朝各個方向都有壓強;在同一深度，各個方向壓強相等[ 4 ]。

3.4 ?探究4：液體內部壓強與密度的關系

器材：數字顯示壓強計、大容器（深度大于30 cm）、水、食鹽。

實驗步驟：

（1）在容器中加入足夠多的清水，將探頭固定在一定深度（如：h深=200 mm）不變，計錄此刻固定深度清水中的液體壓強。

（2）保持探頭固定深度不變，再向清水中多次添加食鹽（未達到飽和前），并記錄每次添加食鹽后的液體壓強填入表3。

由數據分析可知：液體的壓強還與液體的密度有關，在深度相同時，液體密度越大，液體的壓強越大[ 4 ]。

【師生總結】 液體壓強的特點，探究實驗結束。

3.5 ?數字顯示壓強計教學應用的注意事項和誤差分析

3.5.1 ?注意事項

（1）探究液體深度與壓強關系時，探頭操作適當慢些，每點建議停留1 s以上，便于觀察壓強的數據的變化。

（2）在使用儀器前要注意儀器深度校零：諧振式液體水位傳感器受到本身精確度（深度小于5 cm誤差大）和不同環境下的大氣壓的影響，會造成深度存在誤差。

（3）實驗默認采用水進行實驗，水的初始密度設為ρ水=1000 kg/m3，如果采用不同液體進行實驗需要通過軟件重新設定初始密度。

3.5.2 ?誤差分析

（1）測量值相對真實值的誤差（探頭深度大于10 cm時）液體水位傳感器深度值：絕對誤差Δh=|h-h真|=3 cm。

實驗結論液體壓強：p=p±300 pa

（2）誤差修正

液體水位傳感器深度值：相對誤差δh=3/h真

提高測量深度可以減小相對誤差，提高液體壓強的精確值。

4 ?結束語

運用自制數字顯示壓強計簡捷、迅速地測出液體的壓強，并順利完成探究液體的壓強與ρ液和h深有關實驗，還可以探究液體的壓強和容器的形狀是否有關的實驗。該教具克服了傳統定性實驗觀察的不足，實現了定量測量，直觀科學，并且把傳感器和Arduino引入物理教學中，激發學生學習新技術的興趣，培養學生利用信息技術的能力。

參考文獻：

[1] 關松林.初中物理教學指導[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2] 秦偉.初中物理教科書經典教學實驗介評[M].廣州：廣東科技出版社，2013.

[3] （法）詹姆斯 A.蘭布里奇.Arduino 編程：實現夢想的工具和技術[M].北京：機械工業出版社，2017.

[4] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育科教書物理八年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.