基于STM8探究影響液體壓強(qiáng)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

焦政翰　田建民　李勇強(qiáng)　田博雅

摘? ?要：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫剌o助學(xué)生深入了解液體壓強(qiáng)，強(qiáng)化學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)解決物理問題的能力。各種傳感器和數(shù)字化顯示模塊在教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的運(yùn)用較好地促進(jìn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)字化進(jìn)程。利用STM8模塊、高精度氣壓傳感器HP303B和TM1620數(shù)碼驅(qū)動(dòng)顯示模塊設(shè)計(jì)數(shù)字化壓強(qiáng)測(cè)量裝置，借助定性、定量兩種分析方法，探究液體密度和深度對(duì)液體壓強(qiáng)的影響。

關(guān)鍵詞：液體壓強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；STM8；壓強(qiáng)測(cè)量裝置

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2023）3-0052-4

隨著數(shù)字化社會(huì)的建設(shè)，現(xiàn)代信息技術(shù)已經(jīng)成為重要的教育技術(shù)之一?，F(xiàn)代信息技術(shù)一方面是作為教學(xué)的手段，另一方面是作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備和測(cè)量方法［1］。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)計(jì)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，具有適用面廣、實(shí)驗(yàn)操作簡便、測(cè)量結(jié)果精確、自動(dòng)生成測(cè)量數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提出：教師要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué)，創(chuàng)新教學(xué)方式，提升教學(xué)效率。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生將信息技術(shù)應(yīng)用到物理學(xué)習(xí)中，幫助學(xué)生適應(yīng)數(shù)字時(shí)代的要求，提升學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)的能力［2］。

1? ? 教材中的裝置

人教版八年級(jí)下冊(cè)物理教材（2012年版）第九章第2節(jié)“液體的壓強(qiáng)”介紹了液體壓強(qiáng)的特點(diǎn)和液體壓強(qiáng)的大小，引導(dǎo)學(xué)生探究并了解液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)［3］。教材在探究影響液體壓強(qiáng)因素環(huán)節(jié)提供的方案如圖1所示，將探頭浸入同一液體，改變探頭浸入液體的深度，觀察微小壓強(qiáng)計(jì)U形管兩側(cè)液面高度差；控制探頭浸入液體深度一致，使用不同密度的液體，觀察微小壓強(qiáng)計(jì)U形管兩側(cè)液面高度差。上述方案只能簡單的定性分析，無法定量分析。設(shè)計(jì)一套能夠從定性、定量兩種分析方法探究影響液體壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析，可以有效幫助學(xué)生深入認(rèn)識(shí)液體密度和深度對(duì)液體壓強(qiáng)的影響。

2? ? 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1? ? 制作裝置的材料

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，制作所需的材料主要有：STM8S103F3P6模塊、高精度氣壓傳感器HP303B、TM1620數(shù)碼驅(qū)動(dòng)顯示模塊、5 V直流供電模塊、亞克力方形容器、微小液體壓強(qiáng)計(jì)（U形管、探頭、橡膠管、橡皮筋）、3D打印的傳感器外殼、透明塑料刻度貼紙。

2.2? ? STM8數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置的搭建

STM8是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位MCU，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、存儲(chǔ)空間大、數(shù)據(jù)處理效率高、外設(shè)接口豐富等特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用于壓強(qiáng)測(cè)量的裝置［4］?；赟TM8的壓強(qiáng)測(cè)量裝置使用高精度的數(shù)字氣壓傳感器HP303B，測(cè)量探頭所在位置的壓強(qiáng)，并通過內(nèi)部總線將數(shù)據(jù)傳輸至STM8進(jìn)行處理，隨后STM8將處理完成的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示模塊，由LED專用驅(qū)動(dòng)控制IC TM1620驅(qū)動(dòng)5位數(shù)碼管將其顯示。基于STM8的壓強(qiáng)測(cè)量裝置框圖如圖3所示。

2.3? ? 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖4所示，利用亞克力透明板制作三個(gè)大小相同的方形容器，用熱熔膠將微小壓強(qiáng)計(jì)U形管固定于方形容器左側(cè)的同一高度處，方形容器右側(cè)粘貼透明塑料刻度紙。組裝微小壓強(qiáng)計(jì)探頭，配置實(shí)驗(yàn)使用的濃鹽水，并將食用油、水、濃鹽水倒入方形容器，控制液面位置在同一高度處。

3? ? 實(shí)驗(yàn)過程

3.1? ? 定性探究

3.1.1? ? 探究液體壓強(qiáng)與液體深度的關(guān)系

為探究液體壓強(qiáng)與液體深度的關(guān)系，控制液體密度一定。將微小壓強(qiáng)計(jì)探頭與U形管相連接，不斷增大探頭浸入液體的深度，觀察U形管兩側(cè)液面高度差的變化。如圖5所示，U形管a，b，c，d分別對(duì)應(yīng)的探頭浸入液體的深度為：3.5 cm，5.5 cm，7.0 cm，11.0 cm。隨著探頭浸入液體的深度不斷增加，U形管的液面高度差不斷增大。實(shí)驗(yàn)說明：當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體深度越深，液體壓強(qiáng)越大。

3.1.2? ? 探究液體壓強(qiáng)與液體密度的關(guān)系

為探究液體壓強(qiáng)與液體密度的關(guān)系，控制液體深度一定。將微小壓強(qiáng)計(jì)探頭與U形管相連接，探頭分別浸入不同密度液體的同一深度，觀察U形管兩側(cè)液面高度差的變化。如圖6所示，U形管a，b，c分別對(duì)應(yīng)的是探頭浸入食用油、水、濃鹽水，深度為7.0 cm處。隨著探頭浸入液體密度的不斷增大，U形管的液面高度差也不斷增大。實(shí)驗(yàn)說明：當(dāng)液體深度一定時(shí)，液體密度越大，液體壓強(qiáng)越大。

3.2? ? 定量探究

3.2.1? ? 操作步驟

（1）分別將食用油、水、濃鹽水倒入方形容器，并控制液面在同一高度處。

（2）將數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置用橡膠管與微小壓強(qiáng)計(jì)的探頭相連接。

（3）打開數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置開關(guān)，并按動(dòng)調(diào)零按鈕。

（4）將連接好的微小壓強(qiáng)計(jì)探頭分別浸入食用油、水、濃鹽水的3.5 cm，6.0 cm，8.5 cm，11.0 cm，13.5 cm深度處，觀察數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置的示數(shù)，并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2.2? ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中選用的食用油、水、濃鹽水的密度如表1所示。方形容器中液面位置、探頭浸入液體深度、探頭位置如表2所示。實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置示數(shù)如表3所示。

為直觀地通過數(shù)據(jù)分析液體密度與深度對(duì)液體壓強(qiáng)的影響，將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件進(jìn)行圖像繪制。如圖7所示，研究液體壓強(qiáng)與液體深度的關(guān)系，以探頭浸入液體的深度為橫軸，數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置的示數(shù)為縱軸，利用實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并通過Origin軟件進(jìn)行線性擬合。擬合結(jié)果報(bào)告中Pearsons r皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0.999 97～1之間，說明液體壓強(qiáng)與深度有極強(qiáng)的相關(guān)性；Adj R-Square校正決定系數(shù)在0.999 94～0.999 99之間，說明擬合結(jié)果較好。通過擬合圖像，能夠觀察到當(dāng)液體密度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與深度成正比。

如圖8所示，研究液體壓強(qiáng)與液體密度的關(guān)系，以液體密度為橫軸，數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置的示數(shù)為縱軸，利用實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并通過Origin軟件進(jìn)行線性擬合。擬合結(jié)果報(bào)告中Pearsons r皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0.998 81～0.999 90之間，說明液體壓強(qiáng)與液體密度有極強(qiáng)的相關(guān)性；Adj R-Square校正決定系數(shù)在0.995 26～0.999 86之間，說明擬合結(jié)果較好。通過擬合圖像，能夠觀察到當(dāng)深度一定時(shí)，液體壓強(qiáng)與液體密度成正比。

3.2.3? ? 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)誤差的分析能夠有效地判斷本次實(shí)驗(yàn)的可靠性，同時(shí)能夠檢驗(yàn)基于STM8的數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置的準(zhǔn)確性。如表4所示，利用液體壓強(qiáng)公式計(jì)算各實(shí)驗(yàn)組的液體壓強(qiáng)理論值，借助相對(duì)誤差計(jì)算公式計(jì)算各實(shí)驗(yàn)組的誤差。

本次實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源有：（1）實(shí)驗(yàn)中使用的橡膠管在氣壓的作用下會(huì)發(fā)生膨脹，且實(shí)驗(yàn)裝置絕非完全密閉，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)采集的液體壓強(qiáng)數(shù)據(jù)小于理論值。（2）讀取液面位置、探頭位置等數(shù)值時(shí)，存在因讀數(shù)而產(chǎn)生的誤差。根據(jù)表4數(shù)據(jù)，計(jì)算得到本次的15組實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差的平均值為1.631%，在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍之內(nèi)。因此，本次實(shí)驗(yàn)有效地利用基于STM8的數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置定量探究了液體密度和深度對(duì)液體壓強(qiáng)的影響。

4? ? 結(jié)? 語

本文利用STM8模塊、高精度氣壓傳感器HP303B和TM1620數(shù)碼驅(qū)動(dòng)顯示模塊設(shè)計(jì)了數(shù)字壓強(qiáng)測(cè)量裝置，并將其應(yīng)用在探究影響液體壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)由觀察微小壓強(qiáng)計(jì)U形管的液面高度差的定性分析，到數(shù)字壓強(qiáng)計(jì)測(cè)量液體壓強(qiáng)數(shù)值變化的定量分析，探究了液體密度與深度對(duì)液體壓強(qiáng)的影響。

基于STM8的數(shù)字傳感技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合有著重要的教學(xué)價(jià)值。一方面，彌補(bǔ)了實(shí)際教學(xué)中無法通過定量實(shí)驗(yàn)探究影響液體壓強(qiáng)因素的欠缺，幫助學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程，對(duì)液體壓強(qiáng)有更為深度的認(rèn)識(shí)。另一方面，數(shù)字化傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，革新了物理教學(xué)方法，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)解決物理問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

參考文獻(xiàn)：

［1］廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）教師指導(dǎo)·物理［M］.上海：上海教育出版社，2021：150-151.

［2］中華人民共和國教育部．義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］．北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［3］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理八年級(jí)下冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2012：18-19.

［4］劉海成，葉樹江，郭強(qiáng).STM8單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013：4.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2022-12-04

基金項(xiàng)目：青海師范大學(xué)自然科學(xué)中青年項(xiàng)目（18801030831）。

作者簡介：焦政翰（1999-），男，碩士研究生，主要從事中學(xué)物理教學(xué)研究。

*通信作者：田建民（1990-），男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事高校物理學(xué)科教學(xué)論的研究與教學(xué)工作。