物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)研究
——以空氣比熱容比的測定實(shí)驗(yàn)為例

劉興云，劉鑫豪，王玙璠，翟儉超，楊火祥，朱國良，劉夢娟

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)研究
——以空氣比熱容比的測定實(shí)驗(yàn)為例

劉興云，劉鑫豪，王玙璠，翟儉超，楊火祥，朱國良，劉夢娟

(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于教學(xué)采用大班方式，教師在教學(xué)時(shí)無法對持有疑問的學(xué)生一對一全面性及時(shí)輔導(dǎo)；在批閱學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)要完成檢閱、計(jì)分、登分等細(xì)節(jié)化較強(qiáng)的工作，稍有不當(dāng)就會出現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)上的失誤；部分學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)課程，選擇扎堆操作，在上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)候直接拷貝他人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?yán)重滯后。諸如此類問題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過電腦即可全面掌握學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，并對學(xué)生進(jìn)行及時(shí)有效的指導(dǎo)和督促。這樣不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，也可以避免了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)抄襲和損壞儀器的現(xiàn)象。以《空氣比熱容比的測定實(shí)驗(yàn)》為例，闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的諸多教學(xué)研究應(yīng)用價(jià)值，很好地解決了教學(xué)中出現(xiàn)的問題。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；空氣比熱容比；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；物理實(shí)驗(yàn)

0 引言

在目前的物理實(shí)驗(yàn)課程中，我們對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，僅僅還是眼觀手記的階段，沒有對具體操作中不斷變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。正是因?yàn)檫@樣的原因，我們無法從直觀上避免一些細(xì)小的操作失誤來提高實(shí)驗(yàn)的精確度。此外，一些同學(xué)由于不重視實(shí)驗(yàn)課程，選擇扎堆操作，導(dǎo)致動手能力不能得到提高以及抄襲數(shù)據(jù)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是一個(gè)新的課題。我們以空氣比熱容比測定實(shí)驗(yàn)為例，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改造，在儀器上安裝溫度和壓力傳感器，傳感器將感知到的信號轉(zhuǎn)變成電信號，通過ZigBee自動組網(wǎng)，然后將信息上傳到云服務(wù)器。老師和學(xué)生就可以直接登錄網(wǎng)頁訪問云服務(wù)器從而讀取實(shí)驗(yàn)信息。學(xué)生還可以通過電腦或手機(jī)邊實(shí)驗(yàn)邊觀察不斷變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖，老師也可以隨時(shí)隨地監(jiān)測學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程情況。若學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全不正確，則會發(fā)出報(bào)警信息，學(xué)生在得到這些信號后可以重新調(diào)整自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行相關(guān)的修改。同時(shí)也可以把正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到后臺服務(wù)器，將直接給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績。這樣做不僅節(jié)省了老師和學(xué)生的大量時(shí)間，還提高了實(shí)驗(yàn)效率。該系統(tǒng)改造簡單，實(shí)用性比較強(qiáng)，可大范圍推廣到其他物理實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)改造上。

1 空氣比熱容比的測定基本原理——絕熱膨脹法

高等院校普通物理熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的是Clement-Desarmes方法[1～2]，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用上海復(fù)旦大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的FD—NCD空氣比熱容比測定儀如圖1所示。

該實(shí)驗(yàn)原理簡述如下：對于理想氣體，由氣體運(yùn)動論可以知道，比熱容比r值與氣體分子的自由度數(shù)有關(guān)，r=Cp/Cv=(f+2)/f，其中f為氣體分子的自由度，Cp為理想氣體定壓摩爾熱容，Cv為理想氣體定容摩爾熱容，而空氣中的氣體分子大部分是雙原子分子，所以理論上空氣比熱容比約為1.402.在實(shí)驗(yàn)操作過程中氣體有三個(gè)不同的狀態(tài)：狀態(tài)I(P1,T0,V1)、狀態(tài)II(P0,T2,V2)、狀態(tài)III(P2,T0,V2)，如圖2。從狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅱ(氣體絕熱膨脹)滿足方程：P1V1r=P0V2r，從狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅲ(氣體等溫過程)滿足方程：P1V1=P2V2，由上述兩個(gè)方程可得：

r=(lgP0-lgP1)/(lgP2-lgP1)

利用該式可以通過測量P0、P1、P2值求得空氣比熱容比r的值[3～4]。

實(shí)驗(yàn)過程設(shè)置如下：按圖1接好電路后，開啟電源，將儀器預(yù)熱，此時(shí)將儲氣瓶的出氣活塞C2打開，然后用調(diào)零電位器把壓強(qiáng)示值調(diào)為零。關(guān)閉活塞C2，打開進(jìn)氣活塞C1，用打氣球?qū)⒖諝饩従彽剌斎雰馄績?nèi)，當(dāng)壓強(qiáng)大小示數(shù)為電壓120mV左右時(shí)關(guān)閉活塞C1，儲氣瓶內(nèi)氣體穩(wěn)定后即為狀態(tài)Ⅰ(P1,T0,V1)?？焖俅蜷_活塞C2，氣體絕熱膨脹后，壓強(qiáng)會降至環(huán)境大氣壓即狀態(tài)Ⅱ(P0,T2,V2)時(shí)，迅速關(guān)閉活塞C2，待儲氣瓶內(nèi)氣體穩(wěn)定后即為狀態(tài)Ⅲ(P2,T0,V2)，實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束。

圖1 測量空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)裝置

2 空氣比熱容比實(shí)驗(yàn)操作中的問題

目前氣體比熱容比的測定實(shí)驗(yàn)中存在三方面的問題。1)在氣體比熱容比測定的實(shí)驗(yàn)操作過程中，一開始可能會忘記儀器調(diào)零。2)在將空氣輸入儲氣瓶的時(shí)候打氣頻率可能不一致，可能在打氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于(高于)120mV時(shí)就關(guān)閉進(jìn)氣閥C1使得穩(wěn)定下來的氣壓P1偏小(偏大)導(dǎo)致r偏小(偏大)。3)打開出氣閥C2放氣后，可能會過晚(或過早)關(guān)閉進(jìn)氣閥使穩(wěn)定下來的氣壓P2偏小(或偏大)低于(或高于)大氣壓導(dǎo)致r偏大(或偏小)，這些操作不當(dāng)不僅會使實(shí)際計(jì)算結(jié)果與理論值相差甚遠(yuǎn)，而且會導(dǎo)致儀器的損壞。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體比熱容比的測定的教學(xué)研究

3.1 系統(tǒng)整體框架

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的改造，其氣體比熱容比系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由儲氣瓶、溫度傳感器、壓力傳感器、ZigBee終端、ZigBee協(xié)調(diào)器、WiFi模塊、無線路由器及電腦終端(或手機(jī))組成，如圖3所示。系統(tǒng)的工作流程為：1)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集溫度和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)并發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器；2)ZigBee協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)通過串口傳輸至WiFi模塊，之后通過無線路由傳輸至云服務(wù)器；3)老師和學(xué)生登錄網(wǎng)頁訪問云服務(wù)器讀取學(xué)生的實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息。

圖3 系統(tǒng)整體框圖

3.2 溫度傳感器和壓力傳感器部分

不同溫度下空氣比熱容比是不相同的，會隨著溫度的升高而減小[6]，只有當(dāng)儲氣瓶內(nèi)溫度和瓶外環(huán)境中的溫度相差無幾時(shí)，瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)才能穩(wěn)定，計(jì)算用的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)才能更準(zhǔn)確，氣體比熱容比的計(jì)算結(jié)果更接近理論值。

3.3 CC2530單片機(jī)

CC2530單片機(jī)結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，用于組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)成員分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)三類。終端節(jié)點(diǎn)以50Hz的速率采集傳感器數(shù)據(jù)并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后通過串口上傳到WiFi模塊，最終通過無線路由器上傳到云服務(wù)器[7～8]。

3.4 云服務(wù)器

云服務(wù)器對上傳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的算法分析并判斷實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)操作是否正確，若正確就對其給予實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)及評語，否則會顯示相應(yīng)的報(bào)警信息。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體比熱容比云端算法流程分析

上述提及的氣體比熱容比測定實(shí)驗(yàn)中的五個(gè)操作中任何一個(gè)失誤都會引起較大的誤差，所以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理主要在于對這五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖4 基本算法

算法的基本流程如圖4所示。1)依次找出儀器調(diào)零時(shí)的初始位置(t1，P0)、打氣量為電壓120mV左右時(shí)的位置(t2，P3)、關(guān)閉進(jìn)氣閥后儲氣瓶內(nèi)氣體穩(wěn)定后的位置(t3，P1)、放氣使氣體絕熱膨脹后與外界大氣壓相等時(shí)的位置(t4，P4)、關(guān)閉進(jìn)氣閥后儲氣瓶內(nèi)氣體穩(wěn)定后的位置(t5，P2)；2)將P1和P2帶入公式計(jì)算氣體比熱容比r；3)對五個(gè)位置和計(jì)算所得的氣體比熱容比r設(shè)置相應(yīng)的分?jǐn)?shù)權(quán)重及評判標(biāo)準(zhǔn)；4)得出最后的總分?jǐn)?shù)及實(shí)驗(yàn)評語。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體比熱容比測定實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖5 實(shí)物裝置圖 圖6 系統(tǒng)登錄界面

6 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氣體比熱容比測定各情況分析

通過電腦瀏覽器，登錄界面如圖6所示，即可查詢實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的操作情況。以下三種典型情況一一做出說明，分別是放氣過多、放氣過少、放氣剛好，其它情況不一一贅述。

圖7 儲氣瓶內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線

7 結(jié)束語

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中以空氣比熱容比的測定實(shí)驗(yàn)為例，在一定程度上結(jié)合在一起旨在提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性和提高學(xué)生的動手能力，減輕老師工作量及減少儀器損壞率。另外，對后續(xù)其他物理實(shí)驗(yàn)儀器的改造和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測具有一定的示范意義。我們將進(jìn)一步以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到大學(xué)物理各實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生更好的服務(wù)。

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Internet of things technology applied in the teachingresearch of physics experiment——With the air experimental determination of heat capacity ratio as an example

LIU Xing-yun，LIU Xin-hao，WANG Yu-fan，ZHAI Jian-chao，YANG Huo-xiang，ZHU Guo-liang，LIU Meng-juan

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

in the physical experiment, teaching teachers can not give timely guidance to every student who have questions.if teachers have some improper in detail work such as reading and scoring reports,there will be some mistakes.part of students take no account of the experimental course ,they choose to do experiments together.some of the students are possible to copy reports of others,resulting in serious lag in the experimental ability.for these problems,if we use the Internet of things technology in physical experiment teaching,teachers can fully grasp the whole process of the experiment with computer.teachers can also give timely and effective guidance to students.It not only improves the efficiency of the experiment, but also avoids the phenomenon of plagiarism and damage to the instrument. In this paper, the experiment of measuring the specific heat capacity is taken as an example to illustrate the application with the Internet of things technology in physical experiments,.it solves these teaching problems admirably.

experiment teachingteaching; heat capacity ratio of air; Internet of things; ZigBee;physical experiment

2016—10—11

湖北省教學(xué)研究項(xiàng)目(2016346)，湖北師范大學(xué)校級重點(diǎn)教研項(xiàng)目(201543)

劉興云(1973— )，男，湖北安陸人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作，主要研究方向電子，通信，物理等應(yīng)用研究.

TH89

A

2096-3149(2017)02- 0087-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.019