用溫度傳感器研究物態(tài)變化

于方軍 喬君

常規(guī)的實驗儀器在進行物理試驗時，在易用性、精度、數(shù)據(jù)記錄分析等方面還存在很多不足。例如，“研究固體熔化時溫度的變化規(guī)律”這個物理實驗需要每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，讀取溫度時普通溫度計也會出現(xiàn)視覺誤差，而這些通過Arduino和溫度傳感器能夠很容易解決。測量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel這種常用的數(shù)據(jù)處理軟件中會很容易做出相關(guān)圖表。在長期的摸索中，我們體會到在教學(xué)中使用結(jié)合傳感器的簡單的數(shù)字化實驗有以下幾方面優(yōu)勢：①測量數(shù)據(jù)方便，準(zhǔn)確性高;②記錄數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)自動化;③如果設(shè)計相應(yīng)的反饋控制會很容易實現(xiàn)。

通過這種自己設(shè)計的數(shù)字化實驗，可以融合多學(xué)科知識，幫助學(xué)生充分體驗知識的價值、技術(shù)的應(yīng)用，而不是單純的紙面上的文字。下面我們將通過溫度傳感器來研究物態(tài)變化時溫度的變化，并簡單介紹一下整個實驗設(shè)計的過程。

● 了解溫度傳感器

連接正確是保證溫度傳感器正常工作的第一步，特別是對像LM35這樣的三根連接線的傳感器，首先要正確連接好電源線和地線，然后連接信號輸出線，連線示意圖如圖1所示。

Arduino板A0～A5六個模擬腳功能類似于一個電壓表，這里我們把溫度傳感器接在A0引腳，溫度傳感器把外界溫度變化，轉(zhuǎn)化為A0端口電壓變化，被Arduino板讀取，并在Scratch程序中顯示出來。

實際連線圖可以根據(jù)溫度傳感器使用環(huán)境連接（如圖2），本例中我們用到的連接線較短，可以用兩頭針的杜邦線連接，如果需要的連接線較長（如在室內(nèi)測量室外溫度變化）可以用自制“繞線器”連接溫度傳感器和Arduino板，當(dāng)然也可以焊接。

● Scratch程序搭建

搭建程序的作用可以從測量、記錄、控制三個方面進行嘗試。測量就是通過傳感器來獲得需要的數(shù)值，如通過溫度傳感器測量獲取所需要的溫度數(shù)值。記錄就是用電腦程序代替人工記錄數(shù)據(jù)，通過程序的方式記錄可以把人解脫出來，并且更容易對數(shù)據(jù)進行分析，如此次實驗我們會把數(shù)據(jù)導(dǎo)入以前曾學(xué)過的電子表格，對其進行分析。簡單說，就是通過程序做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，如在太陽底下如果感覺到熱了，我們會走到陰涼的地方，“走”就是人腦對“腿”做出的控制。

測量溫度：要通過程序設(shè)計把A0端口電壓轉(zhuǎn)換為溫度值;為了便于顯示溫度值和后期程序設(shè)計，我們需要建一個“溫度”變量;為了讀取一個比較穩(wěn)定的值，需要等待一段時間測量一次溫度值。圖3是間隔1秒測量一次溫度。

選中“數(shù)據(jù)和指令”模塊新建變量“溫度”，按圖3搭建好程序，圖中的是將A0端口電壓變化轉(zhuǎn)化為攝氏溫度的變化，“重復(fù)執(zhí)行”和“等待1秒”是實現(xiàn)每隔1秒測量一次溫度，并將溫度值賦值給變量“溫度”。

運行程序后，如果用手指捏住溫度傳感器，你就會發(fā)現(xiàn)變量“溫度”值開始變化。

圖3的程序?qū)崿F(xiàn)了對溫度的測量，但是還不能記錄測量的溫度。在進行探究實驗時，我們還需要把測量的數(shù)據(jù)記錄下來。選中“數(shù)據(jù)和指令”模塊新建鏈表“記錄溫度鏈表”，按照圖4搭建程序，把測量的溫度記錄到鏈表中。

改進項目1：用LM35研究冰融化時對環(huán)境溫度影響。

我們可以利用這個程序完成一個測量冰融化時周圍環(huán)境溫度變化的小實驗。圖5是連接好的實驗裝置。將程序中測量溫度的時間間隔設(shè)為10秒。用雙層保溫玻璃杯是為了控制環(huán)境溫度變量對實驗的影響，使得保溫杯內(nèi)保持一個相對封閉的環(huán)境。因為LM35不防水，所以用帶包裝的冰棍做實驗對象。

啟動程序后經(jīng)過一段時間（如300秒），在采集到足夠數(shù)據(jù)后利用Scratch提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，在鏈表上右擊，從彈出的快捷菜單中選擇“export”命令，即可將數(shù)據(jù)存為.txt格式的文檔，將數(shù)據(jù)復(fù)制進Excel中（如上頁圖6）。如果覺得數(shù)據(jù)小數(shù)位數(shù)過多可以進行四舍五入適當(dāng)減少小數(shù)位數(shù)。

Excel具有強大數(shù)據(jù)處理能力。圖7就是利用Excel的圖表功能生成的一個折線圖，我們可以看出冰塊融化過程導(dǎo)致環(huán)境溫度的下降。

我們學(xué)習(xí)開源軟件和開源硬件使用的主要目的是期望能夠把它們作為研究的工具來得到一些穩(wěn)定的規(guī)律，后期可以根據(jù)探究實驗做一個研究報告。

改進項目2：用防水DS18B20溫度傳感器改進“固體熔化時溫度變化規(guī)律”的實驗。

傳統(tǒng)實驗是用普通溫度計，人工每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。缺點是記錄數(shù)據(jù)量小。

改進實驗用防水的DS18B20溫度傳感器，測量溫度。用Arduino編輯程序，用Excel分析數(shù)據(jù)。用Arduino板做的晶體熔化實驗實物連接如圖8所示。

Arduino程序及數(shù)據(jù)記錄過程如圖9所示。

將數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中，生成圖表，圖10呈現(xiàn)的是海波熔化的溫度變化，圖11呈現(xiàn)的是石蠟熔化的溫度變化。

不難看出使用數(shù)字化的傳感器設(shè)備，我們得出了非常理想的實驗數(shù)據(jù)，這種實驗數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)實驗裝置當(dāng)中是難以完成的?？梢?，通過改進的數(shù)字化實驗可以方便地記錄和分析數(shù)據(jù)，并且通過這種物理學(xué)科和信息技術(shù)的簡單融合，教師和學(xué)生能跨越技術(shù)門檻，很好地體現(xiàn)技術(shù)學(xué)科的價值。學(xué)生學(xué)習(xí)的Excel、學(xué)習(xí)的編程不再是停留在書面上的知識，對他們的學(xué)習(xí)生活也是有用的，相信這應(yīng)該會成為一個很好的教育改革的方向。