基于ESP32與Phyphox的多功能振動實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

陳劍峰

（福建省莆田第二中學(xué)，福建 莆田 351131）

物理新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展的需求，引導(dǎo)學(xué)生自主探究.強(qiáng)調(diào)要學(xué)會利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，引導(dǎo)學(xué)生去理解物理的本質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和利用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取信息的能力，感受信息技術(shù)的力量，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)，從而落實(shí)核心素養(yǎng).[1]

1 教材中的裝置

魯科版高中物理教材（2017課標(biāo)版）選擇性必修第1冊第2章第5節(jié)的“生活中的振動”介紹了受迫振動、共振的相關(guān)知識，教會學(xué)生將物理知識與生活實(shí)際結(jié)合起來.各版本教材中的阻尼振動、受迫振動和共振實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)確測量固有頻率、驅(qū)動頻率、振動頻率和振幅，只能簡單演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖1），無法深入探究.設(shè)計(jì)一套解決以上問題的裝置，不僅能有效地解決“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題，還能激發(fā)學(xué)生的探究意識、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和邏輯思維能力，提升信息素養(yǎng)和學(xué)科核心素養(yǎng).

圖1

2 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

ESP-WROOM-32模塊、VL53L0X（精度0.25mm）、NPN-NC激光對射開關(guān)、OLED模塊、5V直流電源、安裝專用實(shí)驗(yàn)軟件的智能機(jī)（平板）、軌道、小車、輕質(zhì)彈簧、直線電機(jī)、調(diào)速電路、12V直流電源、3D打印的傳感器外殼、螺絲及導(dǎo)線等配件.

2.2 結(jié)構(gòu)介紹

2.2.1 測量裝置的搭建

ESP-WROOM-32模塊是基于樂鑫ESP32 WIFI／雙模藍(lán)牙SoC芯片，可作為一個(gè)BLE外圍設(shè)備與手機(jī)建立連接.基于ESP32搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用激光對射開關(guān)（NPN-NC）觸發(fā)計(jì)時(shí)程序，測量周期.利用VL53L0X激光測距傳感器采集位移數(shù)據(jù).搭建流程如圖2所示.

圖2 測量裝置的搭建流程圖

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

導(dǎo)軌一端安裝金屬立柱，另一端安裝可往復(fù)運(yùn)動的直線電機(jī)驅(qū)動.小車的兩端各系一輕質(zhì)彈簧作為振子，彈簧的另一端分別固定在金屬立柱和直線電機(jī)伸縮桿的前端.伸縮桿前端安裝一擋光片，將激光對射開關(guān)安裝在導(dǎo)軌側(cè)面支架上，擋光片往復(fù)擋光觸發(fā)計(jì)時(shí)程序，測量驅(qū)動周期，利用f=1／T得到驅(qū)動頻率.將VL53L0X激光測距傳感器安裝在導(dǎo)軌一側(cè)，采集小車振子的位移隨時(shí)間變化曲線.

2.2.3 軟件設(shè)計(jì)

Phyphox是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所（RWTH Aachen University）開發(fā)的一款免費(fèi)手機(jī)APP.不僅能調(diào)用手機(jī)中的各種傳感器，還能通過藍(lán)牙外接傳感器，為物理創(chuàng)新教具制作提供極大的便利.打開Phyphox editor軟件編輯器，添加實(shí)驗(yàn)信息，新建圖像、數(shù)值和按鈕，利用Phyphox editor模塊化編程搭建聯(lián)系（圖3），創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)專用軟件（圖4），將ESP32采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至Phyphox端，處理數(shù)據(jù).[2]

圖3 Phyphox editor模塊化編程界面

圖4 專用實(shí)驗(yàn)軟件界面

2.3 裝置實(shí)物圖（圖5、圖6）

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置整體圖

圖6 驅(qū)動部分

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 探究阻尼振動的特點(diǎn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（a）組裝好儀器，如圖5，連接好電源，閉合傳感器開關(guān)，位移調(diào)零.

（b）打開APP專用實(shí)驗(yàn)軟件，通過藍(lán)牙建立連接，點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，將小車振子推到一側(cè)釋放，讓小車振子做阻尼振動，采集振子的位移隨著時(shí)間變化的x-t曲線（圖7）.

圖7 阻尼振動的位移隨時(shí)間變化曲線

（c）放大圖像，利用平移和縮放、選取數(shù)據(jù)功能，記錄阻尼振動每個(gè)周期的周期和振幅數(shù)據(jù).

（d）分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論.

3.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）

表1 振子做阻尼振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分析數(shù)據(jù)可以得到阻尼振動特點(diǎn)：周期不變，振幅逐漸減小.

3.2 探究受迫振動的周期、繪制共振曲線

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（a）組裝好儀器，如圖5，連接好電源，閉合傳感器開關(guān).

（b）打開APP專用實(shí)驗(yàn)軟件，藍(lán)牙連接，點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，位移傳感器調(diào)零.

（c）將小車振子推到一側(cè)釋放，讓小車振子做阻尼振動，采集振子的x-t曲線，利用選取數(shù)據(jù)功能（可以截取多個(gè)取平均值）得到小車振子的固有頻率f固.

（d）閉合開關(guān)，利用直線電機(jī)驅(qū)動，實(shí)時(shí)采集振子的x-t曲線和驅(qū)動頻率，利用選取數(shù)據(jù)功能得到小車振子的頻率f振、振幅A和驅(qū)動頻率f驅(qū).

（e）不斷改變驅(qū)動頻率，多次實(shí)驗(yàn)采集多組數(shù)據(jù).

（f）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.

3.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理（表2）

表2 振子做受迫振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)f固=1.320Hz

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

物體做受迫振動時(shí)，振動的周期或頻率總等于驅(qū)動力的周期或頻率，與物體的固有周期或頻率無關(guān).物體做受迫振動時(shí)，驅(qū)動頻率與物體固有頻率相差越小，受迫振動的振幅越大，如圖8.當(dāng)驅(qū)動頻率與物體固有頻率相等時(shí)，受迫振動的振幅達(dá)到最大，即共振.

圖8 共振曲線

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目利用ESP32與Phyphox自制生活中振動實(shí)驗(yàn)裝置，能精確測量振動的周期（頻率）、驅(qū)動頻率與振幅，定量探究阻尼振動的特點(diǎn)、受迫振動的振動頻率與驅(qū)動頻率的關(guān)系、受迫振動的振幅與驅(qū)動頻率的關(guān)系，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn).現(xiàn)代信息技術(shù)正深刻地影響著中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，自制教具中融入數(shù)字化信息系統(tǒng)等現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)已成為新課程實(shí)施的有效途徑.智能機(jī)集成了多種傳感器，還能通過藍(lán)牙外接各類傳感器，因此，利用智能機(jī)開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有很大的潛力，借助智能機(jī)開發(fā)創(chuàng)新教具和設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，豐富物理課程資源，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實(shí)驗(yàn)、勤于思考，提升學(xué)生的物理思維和創(chuàng)新能力，有效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).