基于智能手機(jī)Phyphox和ESP32的高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

李鑫

【摘要】通過Arduino將程序燒錄到ESP32中就可以精確測量微小感應(yīng)電動勢，通過Phyphox的藍(lán)牙拓展技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化的電壓時(shí)間圖像，進(jìn)而讀取感應(yīng)電動勢的數(shù)值。采用控制變量法將不同數(shù)量的強(qiáng)磁鐵從相同高度落下改變磁通量;相同數(shù)量的強(qiáng)磁鐵從不同高度下落改變通過線圈的時(shí)間，得到感應(yīng)電動勢與磁通量變化率的關(guān)系，驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律?；谥悄苁謾C(jī)Phyphox和ESP32的高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中物理;Phyphox;智能手機(jī);ESP32;Arduino;法拉第電磁感應(yīng)定律;微電壓傳感器

一、引言

在新教材人教版高中物理教材選擇性必修2第二章第2節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”中，教材安排了將強(qiáng)磁鐵從玻璃管中的不同高度下落觀察電壓表示數(shù)的定性實(shí)驗(yàn)。再根據(jù)定性分析得出定量結(jié)論，即電磁感應(yīng)定律就可以表示為，根據(jù)教材的安排，筆者提出幾個(gè)疑問：

1.根據(jù)教材安排的實(shí)驗(yàn)，由定性分析直接得出定量的結(jié)論，這個(gè)會使學(xué)生造成一定的認(rèn)知沖突，任何一條物理規(guī)律都需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，學(xué)生不禁產(chǎn)生疑問，感應(yīng)電動勢與磁通量到底成怎么樣的變化規(guī)律。

2.筆者親測實(shí)驗(yàn)并利用手機(jī)視頻截圖方法觀察強(qiáng)磁鐵通過線圈時(shí)產(chǎn)生的最大感應(yīng)電動勢，發(fā)現(xiàn)當(dāng)強(qiáng)磁體分別從20cm、30cm、40cm、50cm不同高度下落時(shí)，電壓表示數(shù)變化不明顯，尤其40cm和50cm處產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎不變。這是由于強(qiáng)磁鐵下落經(jīng)過線圈時(shí)速度大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢變化快，而磁電式電壓表是測量恒定電壓的。為了解決這一問題，筆者嘗試?yán)弥悄苁謾C(jī)Phyphox和ESP32改進(jìn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律。

Phyphox全稱“physical phone experiments”，

是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)在2016年基于傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)的一款手機(jī)物理實(shí)驗(yàn)軟件。Phyphox中包含的6種傳感器可采集手機(jī)內(nèi)部各種傳感器的數(shù)據(jù)，拓展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，突破傳統(tǒng)傳感器操作的局限性，具有成本低、方便實(shí)用的特點(diǎn)。使用者可以通過官網(wǎng)Editor功能編寫實(shí)驗(yàn)程序，通過二維碼掃一掃或者藍(lán)牙技術(shù)添加實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

ESP32是一系列具有集成WIFI和雙模藍(lán)牙功能的低成本，低功耗片單片微控制器。ESP32系列在雙核和單核版本中均采Tensilica Xtensa LX6微處理器，并內(nèi)置RFbalun、天線開關(guān)、功率放大器、接收低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

由于本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生變化的電動勢，利用磁電式電壓表不能精確地測量，所以本實(shí)驗(yàn)利用Phyphox和ESP32制作為微電壓傳感器?；谥悄苁謾C(jī)及相關(guān)技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)，包括開發(fā)環(huán)境的搭建、實(shí)驗(yàn)程序的編寫與燒錄、實(shí)驗(yàn)程序的運(yùn)行與修改。運(yùn)用Arduino編程軟件編寫測量微小電壓程序（如圖1所示），將程序代碼燒錄到ESP32中，用杜邦線把線圈的兩端連接到ESP32的GMD和P25兩個(gè)端口。打開Phyphox軟件，選擇藍(lán)牙設(shè)備添加實(shí)驗(yàn)，就可以利用ESP32上的傳感器，將電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，利用藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳給Phyphox上，進(jìn)而可以繪制電壓—時(shí)間圖像，得到感應(yīng)電動勢的具體數(shù)值。

三、實(shí)驗(yàn)原理和探究過程

如果保持N與S不變，磁通量=BS，感應(yīng)電動勢E=K就可以轉(zhuǎn)化驗(yàn)證。如圖所以2，所以實(shí)驗(yàn)裝置，分別探究感應(yīng)電勢E與的關(guān)系，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律性，通過歸納總結(jié)驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律。

1.探究感應(yīng)電動勢E和磁通量變化量的關(guān)系

保持磁鐵的下落高度不變（通過線圈的時(shí)間不變），通過改變磁體的個(gè)數(shù)，探究感應(yīng)電動勢E和磁通量變化量的關(guān)系。閉合線圈的大小不變，即S不變，通過改變強(qiáng)磁鐵的個(gè)數(shù)，改變?B（即改變）。讓不同個(gè)數(shù)的強(qiáng)磁鐵從距離線圈10cm高度落下，改變測得的感應(yīng)電動勢E，通過Phyphox和ESP32獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如圖3所示），讀取強(qiáng)磁鐵通過線圈時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢并記錄表格如表1。

2.探究感應(yīng)電動勢E和通過線圈時(shí)間變化量?t的關(guān)系

保持磁鐵的個(gè)數(shù)不變（通過線圈的不變），改變強(qiáng)磁鐵下落的高度，根據(jù)動能定理得，當(dāng)磁鐵通過線圈時(shí)，由得，把探究E與的關(guān)系轉(zhuǎn)化探究E與的關(guān)系。利用Phyphox和ESP32得到不同高度的強(qiáng)磁鐵通過線圈的感應(yīng)電動勢圖像，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表格中，如表2所示。

四、數(shù)據(jù)采集處理和分析

利用Excle表格分析并擬合圖像，得到如圖4探究感應(yīng)電動勢E與強(qiáng)磁鐵個(gè)數(shù)n的關(guān)系圖像，以及圖5感應(yīng)電動勢E與的關(guān)系。

通過圖像分析得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化量成正比，即E?。感應(yīng)電動勢E與下落高度成正比，進(jìn)而E與成正比，即E。

綜上兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，可以得到，當(dāng)面積S一定時(shí)，即E，進(jìn)而得出結(jié)論：閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，這就是法拉第電磁感應(yīng)定律，即E=K.

五、實(shí)驗(yàn)心得與反思

1.低成本效果佳，鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力

本實(shí)驗(yàn)不用高昂的傳感器套件，低成本的ESP32和人手一部智能手機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)了微電壓的數(shù)字化記錄和圖像化顯示，解決了智能手機(jī)難以開展電學(xué)實(shí)驗(yàn)的問題。學(xué)生可以通過動手實(shí)踐體會創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)過程，激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2.師生共同參與，提升物理核心素養(yǎng)

雖然本實(shí)驗(yàn)需要一定的編程基礎(chǔ)，但都是基于Phyphox本身的庫，利用Ariduino燒錄到ESP32中?；赑hyphox藍(lán)牙拓展技術(shù)，利用ESP32和智能手機(jī)的配合開發(fā)出可視化強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)，能激發(fā)學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)興趣，通過綜合創(chuàng)新的方式解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，從而落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，體現(xiàn)物理課程的育人要求。

3.融合信息技術(shù)，提升學(xué)生探究能力

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，不少以往需要用到精密且昂貴的傳感器的實(shí)驗(yàn)，如今均可用智能手機(jī)來實(shí)現(xiàn)，這將極大提高課內(nèi)外物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生進(jìn)行物理研究的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]李錫均，程敏熙，江敏麗.數(shù)字傳感器新載體——智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用綜述[J].大學(xué)物理，2018，37（2）：53-59，63.

[2]惠宇潔.智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討——以Phyphox軟件為例[J].物理教學(xué)探討，2018，36（7）：70-72.

[3]陳健.法拉第電磁感應(yīng)定律的簡易驗(yàn)證[J].物理教師，2019，40（11）：52-54.

[4]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研發(fā)中心.普通高中教科書物理必修三[M].人民教育出版社，2019.

[5]鄭劉德.法拉第電磁感應(yīng)定律定量演示實(shí)驗(yàn)的研制[J].物理教師，2016，37（4）：50-51.

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