基于ESP32與Phyphox的磁感應(yīng)強度定量分析實驗裝置

王秋　畢皓天　付庭松　蔡武德

摘? ?要：物理概念教學(xué)是發(fā)展學(xué)生物理觀念的重要環(huán)節(jié)，定量物理概念的建構(gòu)離不開定量探究實驗。以ESP32芯片、Phyphox軟件為載體，設(shè)計制作了高精度磁感應(yīng)強度定量分析實驗裝置，以期將信息技術(shù)融入物理概念教學(xué)，使磁感應(yīng)強度概念的建構(gòu)過程由定性向定量轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：自制教具；磁感應(yīng)強度；定量實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0062-4

１? ? 設(shè)計背景

高中物理中電場強度、電容、磁感應(yīng)強度等定量物理概念（物理量）是用數(shù)學(xué)方法來定義的［１］。教學(xué)中開展定量探究實驗，有利于學(xué)生獲得更加具象的體驗，降低抽象物理概念的建構(gòu)難度。

然而，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：受限于單根導(dǎo)線的長度、導(dǎo)線中的電流大小等因素，實際實驗中導(dǎo)線擺角較小，不易觀察。其次，這一知識呈現(xiàn)形式從對導(dǎo)線擺角的定性觀察得到磁感應(yīng)強度、導(dǎo)線受力大小、電流大小與導(dǎo)線有效長度幾個物理量間的定量關(guān)系，沒有實驗數(shù)據(jù)作支撐，不利于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）》指出：要重視學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，離不開信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)的融合［３］。基于此，筆者結(jié)合Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件，利用ＥＳＰ３２芯片、ＨＸ７１１壓力傳感器、ＰＣＢ技術(shù)，設(shè)計制作了“磁感應(yīng)強度定量分析實驗儀”。

２? ? 設(shè)計原理

２．１? ? 實驗設(shè)計思路

要在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中開展磁感應(yīng)強度的定量探究實驗，必須精確測量出通電導(dǎo)線的電流大小、有效長度及其在磁場中的受力大小。沿著集成化、模塊化、一體式精確測量的思路，筆者設(shè)計了“磁感應(yīng)強度定量分析實驗儀”的ＰＣＢ電路板（集成ＥＳＰ３２芯片、ADS１０１５模塊、ＨＸ７１１壓力傳感器）用以測量導(dǎo)線的電流大小和受力大小。導(dǎo)線的有效長度由自制線圈的匝數(shù)乘以磁鐵的寬度得出。通過藍(lán)牙將采集到的數(shù)據(jù)從ＥＳＰ３２芯片發(fā)送至Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件進(jìn)行分析與處理，實驗整體設(shè)計思路如圖１所示。

２．２? ? 實驗裝置

裝置實物如圖２所示，器材包括多匝線圈１個、電阻箱１個、強磁鐵４塊、ＰＣＢ電路板１塊（集成ＨＸ７１１、ＥＳＰ３２、ADS１０１５）、平板電腦１臺（安裝有Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件）、鱷魚夾線若干、電池２塊等。

２．３? ? 實驗裝置構(gòu)成

２．３．１? ? 數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)

（１）強磁體：96 mm×46 mm×9 ｍｍ（長、寬、高）強磁鐵２塊、46 mm×46 mm×9 ｍｍ（長、寬、高）強磁鐵２塊。

（２）自制線圈：用漆包線在ＰＶＣ材質(zhì)骨架上繞制而成，分別為５０匝、８０匝、１２０匝、１６０匝，由不同的接線口接入電路。

（３）電阻箱：Ｊ２３６１型，阻值可調(diào)范圍為０～９９９９．９ Ω，最小步進(jìn)值為０．１ Ω。

２．３．２? ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（１）ＨＸ７１１壓力傳感器：一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的２４位Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。測量原理為線圈與磁鐵之間的力是一對相互作用力。傳感器清零后將導(dǎo)線接通電流，置于磁鐵下方的壓力傳感器便可測量出導(dǎo)線在磁場中受力的大小，如圖３所示。

（２）ADS１０１５ＡＤＣ模塊：一款具有１２位分辨率的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用其差分電壓測量模式，在Ａ０、Ａ１端并聯(lián)一個阻值為１ Ω的電阻。實驗中測量該電阻兩端的電壓，利用歐姆定律即可計算出電路中的電流大小。

（３）ＥＳＰ３２芯片：集成了ＷＩＦＩ、藍(lán)牙的芯片，安全可靠，價格低廉。將ＨＸ７１１壓力傳感器、ADS１０１５與ＥＳＰ３２連接，便能通過藍(lán)牙將力與電流的數(shù)據(jù)發(fā)送至平板電腦的Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件中。

２．３．３? ? 數(shù)據(jù)顯示及處理系統(tǒng)

Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件：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ＡＰＰ。不僅能調(diào)用智能設(shè)備中的各種傳感器，還能通過藍(lán)牙外接各類傳感器，為物理創(chuàng)新教具的制作提供極大便利［４］。使用Ｍｉｘｌｙ軟件給ＥＳＰ３２寫入“力電傳感器”程序，測得的數(shù)據(jù)便可以通過藍(lán)牙發(fā)送至Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件，最后進(jìn)行分析與處理。“力電傳感器”程序如圖４所示。

３? ? 實驗過程及數(shù)據(jù)處理

３．１? ? 探究通電導(dǎo)線在磁場中的受力大小Ｆ與電流大小Ｉ的定量關(guān)系

３．１．１? ? 實驗步驟

（１）接入１２０匝的線圈。

（２）按下ＰＣＢ電路板上ＥＳＰ３２的供電開關(guān)ＫＥＹ１，打開Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件，進(jìn)入實驗界面，選擇名為“力電傳感器”的藍(lán)牙設(shè)備，點擊開始按鈕。

（３）按下ＥＳＰ３２上的“清零鍵”、供電開關(guān)ＫＥＹ２。重復(fù)記錄10次力與電流，并取平均值記錄。調(diào)節(jié)電阻箱的旋鈕，依次改變電流的大小，將數(shù)據(jù)點記錄至Ｆ－Ｉ圖像中。

（４）對數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性擬合，或?qū)耄牛悖澹毂砀裉幚怼?/p>

３．１．２? ? 實驗數(shù)據(jù)

電流與導(dǎo)線的受力數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

３．１．３? ? 實驗結(jié)論

通電導(dǎo)線與磁場方向垂直，控制導(dǎo)線的有效長度Ｌ不變，導(dǎo)線在磁場中的受力Ｆ與電流大小Ｉ成正比，即F∝I，如圖５、圖６所示。

３．２? ? 探究通電導(dǎo)線在磁場中的受力大小Ｆ與導(dǎo)線的有效長度Ｌ的定量關(guān)系

３．２．１? ? 實驗步驟

（１）接入５０匝的線圈。

（２）按下ＰＣＢ電路板上ＥＳＰ３２的供電開關(guān)ＫＥＹ１，打開Ｐｈｙｐｈｏｘ軟件，進(jìn)入實驗界面，選擇名為“力電傳感器”的藍(lán)牙設(shè)備，點擊開始按鈕。

（３）按下ＥＳＰ３２單片機上的“清零鍵”、供電開關(guān)ＫＥＹ２，調(diào)節(jié)電流為定值（例如０．１５０ Ａ）。重復(fù)記錄10次力的數(shù)值，將其平均值與導(dǎo)線的有效長度（線圈匝數(shù)N乘以磁場寬度０．０４６ ｍ）記錄至Ｆ－Ｌ圖像中。

（４）斷開線圈供電開關(guān)ＫＥＹ２，更換線圈接口，接入８０匝、１２０匝、１６０匝的線圈，并重復(fù)以上實驗步驟。

（５）對數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性擬合，或?qū)耄牛悖澹毂砀裉幚怼?/p>

３．２．２? ? 實驗數(shù)據(jù)

導(dǎo)線處于磁場中的長度與導(dǎo)線的受力數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

３．２．３? ? 實驗結(jié)論

通電導(dǎo)線與磁場方向垂直，控制導(dǎo)線中的電流Ｉ不變，導(dǎo)線在磁場中的受力Ｆ與導(dǎo)線的有效長度Ｌ成正比，即F∝L，如圖７、圖８所示。

３．３? ? 探究通電導(dǎo)線在不同磁場中的受力大小F與IL的比值是否相同

分別增加０塊、１塊、２塊強磁鐵，按照實驗１的步驟進(jìn)行實驗，比較3次實驗的Ｆ與ＩＬ的比值是否相同。

３．３．１? ? 實驗步驟

（１）重復(fù)實驗１的步驟。

（２）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ｅｘｃｅｌ表格，計算出ＩＬ的值，作Ｆ－ＩＬ圖像并擬合。

（３）增加１塊強磁鐵、２塊強磁鐵，重復(fù)以上實驗步驟，比較3次實驗中Ｆ與ＩＬ的比值是否相同。

３．３．２? ? 實驗數(shù)據(jù)

電流與導(dǎo)線有效長度的乘積和導(dǎo)線的受力數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

３．３．３? ? 實驗結(jié)論

改變磁場強弱，Ｆ與ＩＬ的比值不同。比值大小與Ｉ、Ｌ無關(guān)，只與磁場本身有關(guān)，磁場越強比值越大，即可以用B=f/IL來描述磁場強弱，如圖９所示。

４? ? 實驗創(chuàng)新總結(jié)

（１）自制多匝線圈。解決了單根導(dǎo)線在磁場中受力較小、不便觀察與記錄的難題。采用累積法，由導(dǎo)線的匝數(shù)乘以磁場的寬度得到導(dǎo)線的有效長度，改變匝數(shù)即可改變有效長度，實驗參數(shù)變化明顯。

（２）高精度壓力傳感器ＨＸ７１１。利用相互作用力等大、反向的原理測量導(dǎo)線在磁場中的受力大小，設(shè)計思路巧妙、數(shù)據(jù)采集速度快、測量精度高。實現(xiàn)了定性探究向定量探究的跨越。

（３）ＰＣＢ電路板。將數(shù)據(jù)采集模塊集成在１０ cm×１０ ｃｍ的自制ＰＣＢ板上，既方便攜帶與操作，同時也解決了使用面包板實驗時ＥＳＰ３２芯片工作不穩(wěn)定的問題。

參考文獻(xiàn)：

［１］馮杰．物理概念教學(xué)與物理規(guī)律教學(xué)之差異性探討［Ｊ］．物理教師，２０２０，４１（１）：1－7．

［２］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書物理必修第三冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１０９－１１０．

［３］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：５３－５４．

［４］陳劍峰．基于ＥＳＰ３２與Ｐｈｙｐｈｏｘ的多功能振動實驗裝置的設(shè)計與實驗［Ｊ］．物理教師，２０２２，４３（８）：４９－５１．

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2024-03-22

基金項目：云南省2020年產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“師范院校通信工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)模式研究”（202002281001）。

作者簡介：王秋（1999-），女，碩士研究生，主要從事學(xué)科教學(xué)（物理）研究。

*通信作者：蔡武德（1966－），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為課程與教學(xué)論。