基于Arduino單片機(jī)的一種熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀

劉丹琪　胡志娟

摘 要：自制了基于Arduino單片機(jī)的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，利用bmp180型大氣壓溫度傳感器測得系統(tǒng)在不同條件下氣壓和溫度的變化，探究了做功、氣壓與溫度的關(guān)系，有助于教師在課堂定量演示“做功改變內(nèi)能”和“理想氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué).

關(guān)鍵詞：內(nèi)能;理想氣體狀態(tài)方程;Arduino;單片機(jī)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0045-03

傳統(tǒng)的做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)有兩種：一種是用空氣壓縮引火儀演示;另一種是向玻璃容器內(nèi)打氣，塞子彈起來證明.空氣壓縮引火儀容易引起玻璃炸裂，向玻璃容器內(nèi)打氣，若塞子塞得太緊，塞子不容易沖出，要反復(fù)打氣，可能存在安全隱患[1].

高中物理教材中有理想氣體狀態(tài)方程的教學(xué)內(nèi)容，配有簡單的實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)過程沒有體現(xiàn)各個(gè)物理量之間定量的變化，學(xué)生能理解宏觀的現(xiàn)象，但是無法理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)物理量之間定量的關(guān)系.大學(xué)物理中進(jìn)行理想氣體狀態(tài)方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)過程抽象，不適合在中學(xué)課堂使用.

針對在以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的實(shí)驗(yàn)成本高、測量精度低、成功率低、安全性差等問題，筆者設(shè)計(jì)了適合在中學(xué)課堂使用的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，以幫助學(xué)生更好地理解這部分知識.

1 軟硬件設(shè)備

基于Arduino單片機(jī)的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀裝置設(shè)計(jì)圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示.實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)?zāi)K和測量模塊兩部分組成.

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)K：針對普通玻璃瓶氣壓耐受力不足的缺點(diǎn)，采用高硼硅材質(zhì)的抽濾瓶代替普通的玻璃瓶[2].實(shí)驗(yàn)?zāi)K由上下咀抽濾瓶、針筒、噴嘴、乳膠塞等組成，針筒的主要功能是通過充氣或者抽氣對熱力學(xué)系統(tǒng)做功，改變壓強(qiáng)，噴嘴主要用來釋放氣體降低系統(tǒng)壓強(qiáng)，打孔的膠塞方便傳感器連接.

（2）測量模塊：實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示，Arduino mega單片機(jī)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中心，將大氣壓溫度傳感器和液晶顯示屏接至單片機(jī)，將當(dāng)?shù)睾０螌懭氲匠绦蛑?，矯正大氣壓測量的精準(zhǔn)度，傳感器采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)發(fā)送至液晶顯示屏模塊.

初次使用時(shí)需將單片機(jī)連接至計(jì)算機(jī)，將程序輸入到單片機(jī)，之后實(shí)驗(yàn)不再需要連接計(jì)算機(jī)，使用移動(dòng)電源作為電源.

2 實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

實(shí)驗(yàn)將考慮兩種情況，即外界對系統(tǒng)做功和系統(tǒng)對外做功.

（1）將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置看作一個(gè)系統(tǒng)，將針筒活塞拉到刻度200mL處，快速推進(jìn)活塞，完成外界對系統(tǒng)做功的過程，觀察p和T的示數(shù)變化，并記錄溫度停止變化時(shí)顯示屏上的數(shù)據(jù).

（2）將針筒處于閉合狀態(tài)，快速抽拉活塞，完成外界對系統(tǒng)做功的過程，觀察p和T的示數(shù)變化，并記錄溫度停止變化時(shí)顯示屏上的數(shù)據(jù).

2.2 做功改變內(nèi)能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

以2.1實(shí)驗(yàn)操作步驟（2）操作為例，每次實(shí)驗(yàn)需要記錄兩組數(shù)據(jù).操作前，記錄顯示屏上的初始數(shù)據(jù)，快速抽拉活塞，觀察顯示屏數(shù)據(jù)變化，當(dāng)溫度數(shù)值不再變化時(shí)，立刻記錄顯示屏上的數(shù)據(jù).

教師需對學(xué)生說明，熱力學(xué)系統(tǒng)壓強(qiáng)變化是動(dòng)態(tài)的，即使不進(jìn)行操作，壓強(qiáng)的數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生輕微波動(dòng).

2.3 驗(yàn)證理想氣體物態(tài)方程實(shí)驗(yàn)

空氣可近似看作理想氣體，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行較快時(shí)熱力學(xué)系統(tǒng)可近似視為絕熱系統(tǒng).在這樣的條件下，使氣體的物質(zhì)的量固定，改變系統(tǒng)的溫度和氣壓，探究熱力學(xué)系統(tǒng)氣體物質(zhì)的量是否滿足n=pV/RT.判斷實(shí)驗(yàn)是否成功的標(biāo)準(zhǔn)為n值偏差程度.空氣的氣體摩爾質(zhì)量理論值為28.9643g/mol.

按實(shí)驗(yàn)步驟（1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：記錄初始?xì)鈮簽閜1，初始溫度為T1.實(shí)驗(yàn)操作后，選擇溫度不再變化時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄末狀態(tài)氣壓為p2，末狀態(tài)溫度為T2，初狀態(tài)物質(zhì)的量為n1，末狀態(tài)物質(zhì)的量為n2.實(shí)驗(yàn)前系統(tǒng)體積為1.7L，實(shí)驗(yàn)后系統(tǒng)體積為1.5L.系統(tǒng)氣體物質(zhì)的量理論值為n0=0.07589mol，數(shù)據(jù)見表1.

數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2，n2/n1為實(shí)驗(yàn)前后測量的氣體物質(zhì)的量之比，n0是實(shí)驗(yàn)前系統(tǒng)氣體物質(zhì)的量的理論值，n1/n0為實(shí)驗(yàn)前測量得到的氣體物質(zhì)的量與理論值之比，理論差為實(shí)驗(yàn)前測量值n1與理論值n0的相對誤差，平均為3.27%.前后差為n1和n2的相對誤差，平均為0.38%.

圖4是根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)制作的n1與n0的誤差示意圖，實(shí)驗(yàn)前測量值n1比理論值n0小，可以看出誤差在均勻可控的范圍內(nèi).如圖5是n1與n2誤差示意圖.實(shí)驗(yàn)在不同條件下進(jìn)行，每組數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)前后的誤差都很小.

按照實(shí)驗(yàn)步驟（2）進(jìn)行降壓組的數(shù)據(jù)處理與上述內(nèi)容基本一致，不再贅述.降壓組理論誤差平均為4.28%，前后誤差平均為0.29%.

2.4 誤差原因分析

（1）系統(tǒng)誤差：空氣的標(biāo)準(zhǔn)摩爾質(zhì)量的參考值28.9643g/mol是在0℃、101.33kPa下實(shí)驗(yàn)室中測量出來的，本實(shí)驗(yàn)使用的空氣不處于標(biāo)準(zhǔn)狀況，并且含有水蒸氣和雜質(zhì)，所以初始測量的氣體物質(zhì)的量n1與理論值n0有偏差.

（2）儀器誤差：bmp180型大氣壓溫度傳感器需要根據(jù)海拔矯正氣壓數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生難以避免的傳感器誤差.連接傳感器和Arduino單片機(jī)的杜邦線絕緣層不完全密封，會導(dǎo)致輕微的氣體泄漏，所以本實(shí)驗(yàn)一定要在較快速的情況下進(jìn)行.

（3）讀數(shù)誤差：大氣壓強(qiáng)的值容易受到氣流的影響，所以充氣抽氣結(jié)束時(shí)，傳感器測得的氣壓值會突然產(chǎn)生幅度較大的變化，這是氣流擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)氣壓不均勻造成的.所以要選擇溫度示數(shù)穩(wěn)定，氣壓回落至平緩狀態(tài)時(shí)讀數(shù)，盡可能避免讀數(shù)產(chǎn)生的誤差.

按實(shí)驗(yàn)步驟（1）（2）各進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前測量值n1與理論值n的平均誤差為3.8%，實(shí)驗(yàn)前后測量值n1與n2平均誤差為0.47%，誤差在合理范圍內(nèi).

3 結(jié)束語

將Arduino系統(tǒng)引入中學(xué)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生靈活結(jié)合各種傳感器進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，例如將濕度傳感器加入本實(shí)驗(yàn)儀，可以探究空氣濕度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，填補(bǔ)部分熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的空缺，亦可培養(yǎng)學(xué)生的物理探究創(chuàng)新思維.

參考文獻(xiàn)：

[1]江耀基，肖春燕，藍(lán)斗高.做功改變內(nèi)能實(shí)驗(yàn)演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2019，39（12）：54-55+59.

[2]任少鐸.基于安全性的“做功改變內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中學(xué)物理，2020，38（12）：38-39.

（收稿日期：2021-08-17）

作者簡介：劉丹琪（1998-），女，寧夏銀川人，碩士研究生，研究方向：物理教學(xué);

胡志娟（1978-），女，四川萬源人，博士，副教授，研究方向：大學(xué)物理教學(xué)、信息光學(xué).