基于Arduino平臺(tái)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具

賴毅標(biāo) 盧佳文 張寧 高永偉

摘? ?要：基于Arduino電子平臺(tái)，應(yīng)用LM-35溫度元件與KY-024霍爾元件，自制實(shí)驗(yàn)教具。測(cè)得在不同電流條件下螺線管內(nèi)溫度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，探究了磁體磁性與溫度之間的關(guān)系并解釋其原因。該自制教具彌補(bǔ)了傳統(tǒng)已有實(shí)驗(yàn)的不足并擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑。

關(guān)鍵詞：Arduino；安培分子假說(shuō)；霍爾效應(yīng)；自制教具

高中物理人教版選修3-1第三章“磁場(chǎng)”中，介紹磁現(xiàn)象、磁感線、磁感應(yīng)強(qiáng)度、安培分子電流假說(shuō)等概念。磁學(xué)是高中物理中的重要部分，其中的電磁實(shí)驗(yàn)更是教學(xué)過(guò)程中的重難點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)中教師運(yùn)用鐵屑、回形針描述磁感線分布與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的關(guān)系，這些教具僅能定性地演示磁現(xiàn)象，定量實(shí)驗(yàn)則需要昂貴且操作復(fù)雜的數(shù)字化顯示儀器與實(shí)驗(yàn)設(shè)備[ 1 ]。在實(shí)際教學(xué)中，受到實(shí)驗(yàn)儀器與條件等因素限制，教師難以對(duì)磁現(xiàn)象進(jìn)行定量研究，這導(dǎo)致學(xué)生雖然能觀察到電與磁之間的宏觀現(xiàn)象，卻無(wú)法理解微觀視角下磁現(xiàn)象的電本質(zhì)[ 2 ]。

針對(duì)以上教學(xué)問(wèn)題，本文基于“Arduino”開(kāi)源平臺(tái)與其兼容元件模塊改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，將物理教學(xué)與現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解電與磁的聯(lián)系。既普及了人工智能與信息技術(shù)，又培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識(shí)。

1? Arduino 開(kāi)源平臺(tái)介紹

Arduino是一款便攜的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，能通過(guò)各種元件輸出模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)來(lái)感知和反饋環(huán)境[ 3 ]。運(yùn)用Arduino編程語(yǔ)言編寫燒錄程序從而控制各個(gè)元件的內(nèi)容調(diào)用，可以制作各種類型的傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的開(kāi)發(fā)板是Arduino UNO，該平臺(tái)包括13個(gè)數(shù)字信號(hào)端口、5個(gè)模擬信號(hào)端口、USB接口、直流電源接口、電源輸入與輸出端口等，如圖1所示?？梢酝ㄟ^(guò)連接各種元件模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量進(jìn)行測(cè)量與采集，元件模塊不僅質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，而且種類繁多、功能強(qiáng)大。目前可兼容的模塊有89種，包括溫濕度模塊、PM2.5模塊、超聲波模塊、霍爾元件模塊等。

如果能應(yīng)用科學(xué)探究方法，合理地組合各模塊與配件，Arduino及其兼容模塊可以滿足大多數(shù)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所需，幫助教師創(chuàng)設(shè)直觀的教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地理解對(duì)應(yīng)知識(shí)[ 4 ]。

2? 實(shí)驗(yàn)元件模塊介紹

2.1? 霍爾元件模塊及其原理

霍爾效應(yīng)原理如圖2所示。載流導(dǎo)體薄板放在方向垂直于它的磁場(chǎng)中時(shí)，通過(guò)載流導(dǎo)體的電子在洛倫茲力的影響下進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電荷聚集形成電場(chǎng)與電勢(shì)差。當(dāng)電子受到電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，則會(huì)形成一種垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上的穩(wěn)定電壓——霍爾電壓，如公式①②③④所示。式組中Vh為霍爾電壓，IS為霍爾元件的工作電流，Kh為霍爾元件的靈敏度，n為載流子濃度。

霍爾元件KY-024是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器。工作電壓V0為直流5.20 V，IS工作電流為4.1 mA，Kh靈敏度為10 mV/mT，測(cè)量范圍為-100～100 mT。它是由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、電壓差分放大器和集電極輸出腳針等部分組成的磁敏傳感電路，通過(guò)霍爾電壓發(fā)生器中的霍爾元件將接收到磁感應(yīng)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換數(shù)字電壓信息。其腳針與探口如圖3所示，腳針從上至下分別是器件數(shù)字信號(hào)輸出電壓為V0的電源負(fù)、正極接口、模擬信號(hào)輸出。接通電源并燒錄程序后，將具有霍爾元件的探頭近待測(cè)磁場(chǎng)，可以通過(guò)模擬信號(hào)輸出腳針得到包含磁場(chǎng)信息的電壓值。

KT-024霍爾元件模塊工作原理如圖4所示，將工作電壓V0（5.20 V）的霍爾元件放入待測(cè)磁場(chǎng)區(qū)域，它受到磁場(chǎng)影響，產(chǎn)生霍爾電壓Vh。并根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)，如公式⑤，通過(guò)信號(hào)輸出腳針輸出電壓VB。由公式①④⑤得出該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值大小B。

VB=V0+Vh⑤

2.2? 溫度元件模塊及其原理

熱敏電阻是一種微敏元件，根據(jù)溫度系數(shù)的不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。在工作溫度范圍內(nèi)，電阻值會(huì)隨著溫度的上升而產(chǎn)生線性增加或減少，溫度與電阻的關(guān)系如公式⑥⑦所示。式組中Rt為當(dāng)前溫度下電阻值，R0為0攝氏度時(shí)的電阻值，α為溫度系數(shù)，t為攝氏度溫度值，Vt為當(dāng)前溫度下電壓值，I為工作電流。

Rt=R0（1+αt）⑥

Vt=IRt⑦

LM-35溫度模塊是線性正溫度系數(shù)熱敏電阻元件，工作溫度區(qū)間為-55～125 ℃，工作電壓為直流5 V。它是由溫度系數(shù)振蕩器，溫度信息儲(chǔ)存器和集電極輸出腳針等部分組成。其腳針如圖5所示，從上至下分別是模擬信號(hào)輸出、電源正、負(fù)極接口。接通電源并燒錄程序后，將帶有熱敏電阻的一端放置在待測(cè)環(huán)境中，得到輸出電壓Vt。由Arduino開(kāi)發(fā)板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如公式⑥⑦，可得出當(dāng)待測(cè)環(huán)境中溫度數(shù)值t。

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

利用Arduino開(kāi)發(fā)板、KT-024霍爾元件和LM-35溫度元件自制實(shí)驗(yàn)裝置，探究溫度對(duì)磁體磁性的影響。

3.2? 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)裝置主要由5 V直流電源、16 V直流電源、電流表、滑動(dòng)變阻器、100匝螺線管、LM-35溫度元件模塊、KT-024霍爾元件模塊、LCD數(shù)字顯示屏、Arduino Uno、兩組單刀雙擲開(kāi)關(guān)及若干導(dǎo)線組成。

3.3? 實(shí)驗(yàn)裝置及其原理

實(shí)驗(yàn)原理電路圖如6所示，該實(shí)驗(yàn)裝置電路由控制電路與測(cè)量電路構(gòu)成?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)兩組單刀雙擲開(kāi)關(guān)改變電流方向及滑動(dòng)變阻器的有效阻值，從而控制通電螺線管內(nèi)的磁場(chǎng)方向、大小。KT-024霍爾元件模塊與LM-35溫度元件模塊的探頭將采集到的磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳輸給Arduino開(kāi)發(fā)板進(jìn)一步分析與處理，最終將處理后的磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度大小輸出到LCD顯示模塊進(jìn)行顯示。

3.4? 實(shí)驗(yàn)操作及注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

（1）依據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖連接線圈、Arduino開(kāi)發(fā)板、KT-024霍爾元件模塊及LM-35溫度元件模塊，如圖7所示；

（2）觀察各電源指示燈是否正常，LCD顯示屏是否點(diǎn)亮，多次檢查各電路是否連接完整；

（3）檢查無(wú)誤后，Arduino的USB接口與電腦相連接，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)程序并進(jìn)行燒錄；

（4）記錄室溫，接通控制電路，讀取LCD顯示屏中溫度及與其對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值，采集數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，停止記錄并斷開(kāi)螺線管電源；

（5）當(dāng)溫度傳感器示數(shù)恢復(fù)至室溫時(shí)，通過(guò)滑動(dòng)變阻器改變螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，再次測(cè)量。重復(fù)此操作，并記錄3～5組數(shù)據(jù)；

（6）利用Matlab 2021b軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制B-T圖像；

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需檢查實(shí)驗(yàn)環(huán)境中是否其他磁體的干擾，盡量讓磁場(chǎng)方向與霍爾元件的測(cè)量面垂直，并穩(wěn)定放置在螺線管的中心。每當(dāng)觀察到溫度示數(shù)變化時(shí)，再對(duì)溫度及與其對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行記錄。此外，實(shí)驗(yàn)溫度不能超出元件模塊工作溫度區(qū)間，防止高溫對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不可逆的破壞。

3.5? 核心程序設(shè)計(jì)

void loop（） {

lcd.setCursor（0， 0）;

U=analogRead（A0）; //讀取KT-024霍爾元件模塊輸出的模擬電壓值VB

U=U/100;

lcd.print（U）; //在LCD屏上打印出電壓值的大小

lcd.print（"V"）;

B = （analogRead（A0）-520）/4.100; //將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小

lcd.setCursor（7， 1）;

lcd.print（B，3）; //在LCD屏上打印出電場(chǎng)強(qiáng)度的大小

lcd.print（"mT? ?"）;

lcd.setCursor（7，0）;

T=（5*analogRead（A1）*100）/1024; //將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度的大小

lcd.print（T）; //在LCD屏上打印出溫度的大小

lcd.print（"C? ? ?"）;

delay（200）;

}

4? 數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

依據(jù)恒定電流下溫度T與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的數(shù)值樣本，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并繪制B-T圖像。表1是在溫度環(huán)境25.4 ℃，通過(guò)2 A電流的螺線管內(nèi)部溫度與對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值。其中T為L(zhǎng)M-35溫度元件模塊輸出溫度數(shù)值，B為KT-024霍爾元件模塊輸出磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值。

通過(guò)上述探究過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)物體的磁性會(huì)隨著溫度的升高而減小。有效地論證了安培分子電流假說(shuō)的正確性：當(dāng)磁體受到高溫時(shí)，內(nèi)部分子電流取向變得雜亂，磁體磁性減弱或失去磁性。

5 創(chuàng)新與不足

對(duì)比其他數(shù)字化顯示儀器與實(shí)驗(yàn)設(shè)備，Arduino及其兼容元件模塊相對(duì)價(jià)廉物美，操作簡(jiǎn)單。僅需掌握少數(shù)幾個(gè)指令，即可組合出功能多樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。設(shè)計(jì)與燒錄的程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)迅速調(diào)用，并保存在其儲(chǔ)存器內(nèi)，從而應(yīng)用于多種物理實(shí)驗(yàn)中。將Arduino融入中學(xué)物理教學(xué)，不僅可以滿足實(shí)驗(yàn)需求、提升教學(xué)效果，還能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。

Arduino及其兼容元件模塊雖然功能強(qiáng)大、種類繁多，但精確度較低。如本實(shí)驗(yàn)中使用的LM-35溫度元件模塊，其測(cè)量精度為0.5 ℃，數(shù)據(jù)浮動(dòng)較快，無(wú)法提供實(shí)驗(yàn)高精度的準(zhǔn)確數(shù)值，但仍然能夠得到大致的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，滿足中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)定性與半定量的需求。

6 結(jié)語(yǔ)

將Arduino平臺(tái)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用自制數(shù)字化磁感應(yīng)強(qiáng)度與溫度傳感器，能夠高效、直觀地揭示了磁體的磁性與溫度聯(lián)系，驗(yàn)證安培分子假說(shuō)的正確性。其次，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)定量實(shí)驗(yàn)的不足，填補(bǔ)了電磁實(shí)驗(yàn)的空缺，充分展示科學(xué)技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，為物理教學(xué)提供多樣化的實(shí)驗(yàn)方式。

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