自制教具量化流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的演示

王正

【內(nèi)容摘要】本文以江蘇教育版八年級物理10.3氣壓為例，對流體壓力與流速關(guān)系進(jìn)行的實驗進(jìn)行分析，設(shè)計制作了教具，用以定量測定流速與壓強(qiáng)的關(guān)系，以直觀的實驗現(xiàn)象得到流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。文中闡述了自制教具的設(shè)計思路、器材選擇思路、硬件連接和軟件程序設(shè)計的具體方法，以及后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)完善的設(shè)想。為有相同想法的同行提供一個參考。

【關(guān)鍵詞】自制教具 流體壓強(qiáng) 物理實驗

流體，是與固體相對應(yīng)的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱。在初中物理八年級下10.3中，課本講到了流體的壓強(qiáng)，文中通過三個實驗來說明壓強(qiáng)與流速的關(guān)系：在一張紙條上方吹氣，紙條向上飄起；吹氣球，氣球向氣流方向運動；向倒扣的漏斗里吹氣時乒乓球不會掉下去。綜合三個實驗現(xiàn)象分析得出：流體中流速越大的地方壓強(qiáng)越小。筆者認(rèn)為，流體中壓強(qiáng)與流速的關(guān)系并沒有很好的交代清楚，實驗中只演示了空氣不流動和空氣流動兩種情況下壓強(qiáng)的大小關(guān)系，而并沒有說明流體中壓強(qiáng)大小和流速的關(guān)系。為了能更直接的顯示流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，筆者設(shè)計和制作了流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的演示儀，經(jīng)實際測試使用，效果良好，解決了書本實驗結(jié)論的得出比較牽強(qiáng)的弊端，也更利于學(xué)生了解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。該裝置具體設(shè)計制作方法如下。

一、 設(shè)計思路

教材中只有實驗的演示，但實驗現(xiàn)象的說服力不強(qiáng)。為了能直觀的顯示壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，就必須以適當(dāng)?shù)姆椒ò巡煌魉傧碌膲簭?qiáng)值測出來。因此，筆者的設(shè)計關(guān)鍵在于如何實時的測定氣體內(nèi)部的壓強(qiáng)，并且，還需要以適當(dāng)?shù)姆绞桨褜崟r測得的氣壓值顯示出來，再配合空氣流速的改變，不間斷的測定氣壓值和輸出顯示，只有這樣，才能確切的說明流體的壓強(qiáng)和流速之間是否有關(guān)，以及有什么關(guān)系。

二、 器材選擇

要實時的測定氣壓，傳統(tǒng)的水銀氣壓計也好、金屬盒氣壓計也好，都因體積過大，不便于攜帶和操作的原因而不適合此實驗的需要。因此，筆者想到了使用氣壓傳感器。通過查閱相關(guān)資料，選定了BOSCH公司出品的BMP180氣壓傳感器。這是一款高精度，小體積，超低能耗的壓力傳感器。它的性能卓越，反應(yīng)時間可以達(dá)到7.5ms，精度低可以達(dá)到0.03hPa，可以輕松的通過I2C總線直接與各種微處理器相連，無需額外的供電，能很好的滿足實驗的需求。

要改變空氣流速，需要使用風(fēng)扇。筆者試過幾種方法，最先想到的是用普通的電扇，但實驗中發(fā)現(xiàn)，普通的電扇體積太大，不便移動，最關(guān)鍵的是風(fēng)速達(dá)不到要求。還試過玩具電機(jī)，但電機(jī)功率太小，產(chǎn)生的風(fēng)速也不夠。全部否定之后，通過查閱電機(jī)的相關(guān)資料，決定使用空心杯航模電動機(jī)。這種電動機(jī)功率很大，體積小巧，裝上螺旋槳后，可以產(chǎn)生很高的風(fēng)速。作為一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，其重量和慣性矩很小，轉(zhuǎn)子本身的機(jī)械能損失很少，不僅具有出色的節(jié)能特性，更重要的是，它具有鐵芯電機(jī)無法實現(xiàn)的控制和拖曳特性，與L298N電機(jī)驅(qū)動板相匹配，可以準(zhǔn)確快速地控制速度，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的。

要控制傳感器實時讀取，還要把讀取的數(shù)據(jù)處理和顯示出來，同時也要調(diào)節(jié)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，再綜合考慮整個裝置的移動性和可靠性，對上述要求的分析最終決定這些硬件必須通過單片機(jī)系統(tǒng)集成。目前，市場上有許多成熟的單片機(jī)系統(tǒng)，綜合性能、成本、易用性和筆者的程序設(shè)計能力，最終選擇了Arduino平臺來實現(xiàn)這些功能。Arduino是一款易于使用的開源電子原型制作平臺。主要包含兩個主要的部分：硬件部分是Arduino板，可用于電路連接；另一個是ArduinoIDE，它是計算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。Arduino的編程語言的語法基于C++語言，是一種非常成熟的計算機(jī)語言，互聯(lián)網(wǎng)上有大量的示例可供參考，這在后續(xù)的程序設(shè)計中也起到了很大的作用，可以避免走很多彎路。

三、 制作方法

1. 硬件的連接

硬件連接的核心是Arduino開發(fā)板的連接。首先連接顯示輸出部分。I2C總線接口的1602LCD有4個接線端，分別是VCC、GND、SDA、SCL，對應(yīng)連接到Arduino開發(fā)板的相應(yīng)端口。其次是讀取氣壓傳感器的數(shù)據(jù)，BMP180氣壓傳感器也是通過I2C總線與開發(fā)板連接的，模擬端口A3和A4配置為SCL和SDA，分別連接BMP180的SCL和SDA，VCC和GND可以與1602LCD顯示屏的相應(yīng)接口并聯(lián)。電機(jī)驅(qū)動電路L298N的N1、N2、N3、N4分別連接開發(fā)板的數(shù)字端口3、4、5、6，ENA和ENB作為控制信號輸入連接開發(fā)板的數(shù)字10、11端口，以便通過PWM信號占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了便于通過開關(guān)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在2腳和GND間接入下拉電阻，用自復(fù)位開關(guān)連接2腳和VCC，以點按的方式提供觸發(fā)信號，達(dá)到分段調(diào)節(jié)風(fēng)速的目的?？紤]到整個裝置的移動性和使用的穩(wěn)定性，使用了3個18650的鋰離子電池串聯(lián)的電池盒供電，通過5521DC接口和主機(jī)連接。實測在充滿電的情況下可連續(xù)工作24小時以上，足夠日常演示使用。5521接口同時也支持外接DC12V電源，這是一種非常常見的電源，萬一遇到電量不足，可以隨時用DC12V電源連接供電。

2. 程序設(shè)計

#include //載入必要庫文件

#include //載入必要庫文件

LiquidCrystal_I2C lcd（0x27，16，2）； //設(shè)置1602顯示屏總線地址

#define BMP180ADD 0xEE>>1 // 定義BMP180氣壓傳感器總線地址

void loop（） //程序循環(huán)部分，用于循環(huán)測量氣壓

{

if （digitalRead（s）==1） //判斷2腳信號

{

sPushCounter++；

if （sPushCounter==6）

{

sPushCounter=0；

}

RunFan（）； //調(diào)用風(fēng)扇控制子程序

delay（150）； //延遲150ms

}

calculate（）； //調(diào)用BMP180數(shù)據(jù)讀取和處理子程序

show（）； //調(diào)用顯示子程序?qū)⒔Y(jié)果顯示到LCD屏

}

以上是程序設(shè)計的主要部分，引腳定義部分和各個子程序的設(shè)計，限于篇幅，不在此贅述。

該裝置在實際使用中，反應(yīng)靈敏，表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，能方便的通過按鈕改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)空氣流速，同時讀取實時的氣壓值顯示在屏幕上，與教材的演示實驗實現(xiàn)了互補，有效的解決了書本演示實驗的不足，學(xué)生可以更準(zhǔn)確地了解流體速度與流體內(nèi)部壓強(qiáng)之間的關(guān)系。當(dāng)然，使用過程也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。比如由于BMP180為民用級別的氣壓傳感器產(chǎn)品，氣壓讀數(shù)有時不夠穩(wěn)定，數(shù)值會有波動；開關(guān)方式的控制只能把電機(jī)轉(zhuǎn)速固定在幾個特定的檔位，不利于規(guī)律的得出。這些不足之處筆者也在思考改進(jìn)中，后期設(shè)想通過數(shù)學(xué)算法的改進(jìn)來過濾數(shù)值的抖動問題，以便實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出；通過更換電位器也可以連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)速度來改變空氣流速。

總之，初中物理的實驗教學(xué)有還許多值得深入推敲的地方，物理教師要充分發(fā)揮自己的智慧，多思考，多練習(xí)，創(chuàng)造更多對教學(xué)有益的教具。

（作者單位：昆山市第二中學(xué)）