利用主控板和手機物理工坊開發(fā)DIS實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148（2025）8-0058-4

電子技術和人工智能的發(fā)展使自制教具進入低成本、低門檻時代，利用主控板和各類傳感器可實現(xiàn)自制高精度DIS實驗教具，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗儀器。以人教版選擇性必修三第二章的第2節(jié)和第3節(jié)為例，實驗探究氣體等溫、等壓和等容變化規(guī)律，傳統(tǒng)教學儀器玻意耳定律實驗儀（J2257）和蓋-呂薩克演示器（J22224）只能分別探究氣體的等溫和等壓變化，等容變化則沒有標準產品[1]。而利用主控板、傳感器、顯示屏和其他公模零件經過簡單加工，搭配“手機物理工坊”（phyphox），可將探究等溫、等壓、等容變化的功能集成于一套教具上，既滿足了學生實驗要求手動記錄數據，又實現(xiàn)了演示實驗時數據的自動記錄和圖像的實時呈現(xiàn)。

1 教具的創(chuàng)新點

本教具創(chuàng)新點可總結為：多功能、高精度、實時性、低成本和低門檻。多功能是指該教具能探究氣體等溫、等壓、等容變化。高精度是指利用傳感器可輕松實現(xiàn)壓強、溫度和體積等數據的自動化、高頻率（采樣頻率 100Hz 以上）精準采集，其中以實現(xiàn)體積的數字化采集最具代表性[2。實時性是指搭配phyphox能呈現(xiàn)出實時的、連續(xù)的實驗圖像。低成本是指自制DIS教具所需的材料皆為公模產品，價格極其低廉。低門檻則體現(xiàn)在兩個方面，一是使用公模零件便于組裝和保證氣密性，二是有了人工智能輔助將大大降低編程的門檻。

2 教具展示與器材清單

本教具的外觀如圖1所示，實驗時將右側儲氣裝置放入左側水浴槽中卡緊。

圖1教具展示

對圖中序號所標注的材料說明如下：

① ESP32C3主控板，自帶藍牙和WIFI功能；② BMP280氣壓溫度傳感器； ③716 電機風扇； ④ VL6180X激光測距傳感器； ⑤SSD01315 顯示屏；⑥5V 充放一體電源模塊與 3.7V 鋰電池（電池在電路板背面）； ⑦ 螺紋口注射器（有 60mL 和20mL 兩種口徑，圖中為 60mL ）與測距用的反光鐵片； ⑧ 三通閥（魯爾接口）； ⑨130mL 玻璃氣瓶； ⑩ 亞克力瓶水浴槽、配套的蓋子（打了限位孔）； ① 用塑料杯和彈性夾子制成的氣瓶固定槽；?5 V小型水泵與軟管。

其他所需材料：噴錫玻纖電路板，撥動開關，XH2.54 端子對、導線、螺絲、螺母、穿板接頭（魯爾接口）各型號硅膠墊片若干。

3 教具加工細節(jié)

3.1 儲氣裝置的制作

將玻璃氣瓶的瓶蓋打兩個孔，一個穿過六根導線后用防水膠密封，另一個穿過穿板接頭（用硅膠墊片防止邊緣漏氣）。將BMP280傳感器、716小型電機風扇焊接穿過瓶蓋的導線（接線將在下文詳細闡述），塞入玻璃氣瓶中并旋緊瓶蓋。風扇的作用是促進氣體流動，使升溫或降溫更均勻。瓶蓋上的接頭、三通閥和注射器都是標準魯爾對接口，不僅對接方便、密封性非常好，還便于替換不同口徑注射器以提升實驗精度。注射器活塞桿頂端粘有反光鐵片，配合正下方的VL6180X激光測距傳感器使用。三通閥用于控制注射器、玻璃氣瓶和大氣之間的通斷。

3.2 水浴槽的制作

將一片“L\"形鐵片用膠水粘在亞克力瓶側壁上，上面固定激光測距傳感器，使其發(fā)射端豎直向上。本教具舍棄了昂貴且復雜的控溫加熱裝置，僅在亞克力瓶下部側面用穿板接頭做成進出水口，搭配小型水泵泵入或泵出熱水以實現(xiàn)升溫、降溫。水浴槽底部粘有自制的氣瓶固定卡槽，防正儲氣裝置在水中浮起。頂上配套的蓋子上打出限位孔讓注射器恰好能夠穿過，以防其左右搖晃。

3.3 電路模塊的制作

電路接線如圖2所示。使用噴錫玻纖電路板作為載體，用漆包線從主控板VIN、GND、D22（SCL）D21（SDA）接出四根線作為主線，依次將電源組件、顯示器、端子母座對應的引腳焊接到主線上制成電路模塊。將兩個傳感器上的導線接入端子公頭，注意要與母座保持一樣的導線順序。716電機風扇由獨立開關控制，與BMP280傳感器共用供電線。電路測試無誤后用光固化膠封住焊點，起到保護電路的作用。

圖2電路接線圖

4編寫程序與實驗界面

4.1 安裝庫文件

使用“ArduinoIDE”（2.3.2版本）進行程序編寫和燒錄[3]。要能在ArduinoIDE上識別ESP32主控板，需從頂部菜單欄“工具”“開發(fā)板”\"開發(fā)板管理器”中搜索并安裝開發(fā)板數據包“esp32”要使傳感器、顯示器等元件發(fā)揮功能，需從“工具”“管理庫\"中搜索并安裝對應傳感器的庫文件。本教具的程序需要調用以下庫： ① phyphoxBle，phyphox實驗專用藍牙通信庫； ②BMP280 ，溫度和壓強傳感器的庫； ③ DFRobot_VL6180X，激光測距傳感器的庫； ④ Wire，與I2C設備進行通信的庫； ⑤ Adafruit_SSD1306，顯示器的庫。

4.2 程序設計與界面設計

從軟件頂部菜單欄“文件”“示例\"中打開庫文件的案例，熟悉對應傳感器獲取讀數的函數，如BMP280傳感器獲取溫度的函數為“bmp280.getPressure”。編寫程序，使用庫中函數來獲取壓強、距離、溫度的參數；用公式計算得到氣體體積、壓強倒數、壓強體積乘積的參數；利用藍牙通信庫中的函數將上述參數通過藍牙發(fā)送到phyphox上，發(fā)送間隔為 10ms ，實現(xiàn)自動記錄與實時作圖；使用顯示器的庫函數將上述參數在屏幕上顯示，刷新間隔為 500ms ，用于手動記錄與紙筆作圖。

4.3 體積數字化測量與濾波算法

實驗中體積是用公式“氣體體積 玻璃氣瓶容積（ 130mL + 注射器截面積 .× 氣柱高度\"換算而來的。任何傳感器都不可避免地存在噪聲，對三個傳感器進行300s靜態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)距離傳感器波動值較大。以 60mL 注射器的橫截面積 6.67cm² 代入體積公式，波動大約在 ±4mL 之間（圖3甲），必須專門進行濾波來減小噪聲。編程中采用了算術平均濾波算法，以傳感器采集的前 n 個數據的算術平均數來替代當前傳感器采集到的數據。在n=10 的情況下，靜態(tài)測試的體積波動被有效降低至 ±1mL 以內（圖3乙），但缺點是體積的采集存在約 100ms 的滯后。

圖3濾波前后體積（橫坐標）的波動對比

在探究等壓變化規(guī)律時，水浴加熱能使氣體溫度從室溫（約 300K 提升到 350K ，大致推算出玻璃氣瓶中 130mL 的氣體能膨脹到約 150mL 故換用橫截面積更小 （2.86cm²） ）、刻度間距更大的 20mL 注射器提升體積測量的精度，降低距離傳感器的波動（降至 ±0.4mL ）。為了匹配不同口徑的注射器，編程時在phyphox實驗界面上設置了橫截面積的輸入框（在下文圖中可以看到輸入框），實現(xiàn)與器材的配套。

4.4 實驗界面設計

使用phyphox官方在線編輯器進行實驗界面編輯（圖4）。實驗界面包含 ?_pV 關系” ?_pT 關系”“VT關系”和“狀態(tài)方程”四個子頁面，內含相應的圖像。可打開phyphox，從右下角“ + ”處選擇“從二維碼添加實驗”，掃描二維碼進入實驗界面。

4.5 人工智能輔助編程

若缺乏編程能力，可使用Deepseek等人工智能AI對庫文件案例生成備注來輔助理解。也可以讓AI根據案例直接生成實驗所需的代碼。但現(xiàn)階段AI生成的代碼往往會編譯出錯，可將報錯信息再次提交給AI，以訓練AI的編程能力。

5 實驗操作與數據分析

打開電路模塊的撥動開關使教具通電，顯示器上開始出現(xiàn)讀數。掃描二維碼進入實驗，從藍牙列表中選擇“氣體實驗定律”，連接主控板和傳感器。點擊界面上的“\"開始記錄數據。由于顯示器和phyphox上記錄的是同一組數據，且采樣頻率后者遠高于前者，故僅演示利用phyphox自動記錄數據、生成圖像并進行誤差分析的過程。

5.1 等溫變化

連接 60mL 的注射器進行實驗，在phyphox實驗界面的輸入框中（圖5）填入橫截面積為6.67cm² 。利用三通閥在儲氣裝置內封閉總體積190mL （玻璃氣瓶 130mL+ 注射器 60mL 的氣體，初始氣壓與外界相同。在phyphox上開始記錄后，緩慢下壓注射器推桿，此時氣體體積減小、壓強增大，得到 p-V 和 圖像（其中壓強取倒數時使用 MPa 為單位）。對 圖像進行線性擬合，得到體積與壓強倒數的關系為V=19.24401+ 1.89800。誤差來源是三通閥、穿板接口都有一定的容積，而氣壓溫度傳感器、小型電扇等部件又會占據一部分體積，這些體積都未考慮在內。

圖5等溫變化

5.2 等容變化

旋轉三通閥將玻璃氣瓶中的 130mL 氣體封閉。開啟小風扇，在水浴槽中加入熱水沒過玻璃氣瓶，對其加熱一段時間。當瓶內氣體狀態(tài)趨于平穩(wěn)后將熱水從水浴槽中泵出，使其在槽內的熱空氣中自然冷卻。等待一小段時間，當儲氣裝置的放熱趨于穩(wěn)定時，在phyphox上記錄得到 p-T 圖像（圖6甲），并對其進行線性擬合得到壓強與溫度的關系式為 p=3.47798T-0.0632613 實驗中發(fā)現(xiàn)過快的加熱、散熱會導致圖像斜率改變，例如直接使用 90^°C 熱水得到的 p-T 圖像存在較大彎曲（圖6乙）。可見，控制氣體均勻升溫、降溫是本實驗降低誤差的關鍵，但精準控溫的加熱設備價格較為昂貴，故使用在熱空氣中緩慢冷卻的方式替代。

圖6等容變化

5.3 等壓變化

取下 60mL 的注射器，換用小口徑的 20mL 注射器進行實驗，注射器活塞可涂抹潤滑油以減小摩擦阻力。利用三通閥在儲氣裝置中封閉130mL （玻璃氣瓶 130mL+ 注射器 0mL ）的氣體。此次實驗依然易受氣體升溫、降溫不均勻的影響，故還是采用先加熱后在熱空氣中緩慢冷卻的方式進行測量。冷卻過程中活塞很容易因為靜摩擦力的存在而卡滯，需要一邊觀察壓強變化（如圖7中的 p-t 圖像），一邊用手輕輕下壓注射器推桿，實現(xiàn)不間斷的等壓變化，但該操作易造成偶然誤差。在phyphox中記錄得到實驗的V-T圖像（圖7），并對其進行線性擬合得到體積與溫度的關系式為 V=0.402775T+9.24408 。該圖像成線性但不通過原點，原因正是記錄了開始實驗后活塞卡滯體積不變的過程。可使用phyphox的“選取數據”功能，選取圖像上的有效數據點，手動計算關系式修正誤差。

圖7等壓變化

5.4 氣體狀態(tài)方程

該教具還能進行狀態(tài)方程的探究，在氣壓、體積和溫度都改變的情況下，同時測量三者的值得到 pV-T 圖像。

6 小結與反思

本教具用較低廉的成本（材料成本不到100元），得到了高采樣率的實時圖像，相比于紙筆作圖和散點圖，實時圖像更能反映出真實的實驗細節(jié)。對于學生實驗所要求的等溫變化，該教具具有很高的精度和還原度。但受傳感器噪聲、靜摩擦力、升溫、降溫不均勻等因素的影響，該實驗在測量等壓過程時實驗耗時較長且操作較為繁瑣。如何在低成本、低門檻和DIY的理念下進行改進，還需要進一步思考。

參考文獻：

[1]陳劍鋒.基于ESP32與BME280的氣體實驗定律探究裝置的新設計[J].物理教師，2025，46（1）：56-58.

[2]梁良飛DIY氣體實驗定律探究儀[J].物理教學，2021，43（3）：26-29.

[3]馮宇，楊厚發(fā)，陳汝玉，等.利用無線溫度氣壓傳感器驗證三大氣體實驗定律[J].湖南中學物理，2023（3）：71-74.

（欄目編輯 劉榮）