利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺改進沸點與氣壓的相關(guān)實驗

摘 要：數(shù)據(jù)處理與分析對于物理實驗解釋、論證起到關(guān)鍵作用。為彌補沸點與氣壓的相關(guān)實驗在數(shù)據(jù)處理與分析上的不足，將Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺應(yīng)用到實驗中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的實時化與精準化；在獲得詳實數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出從數(shù)據(jù)分析的角度出發(fā)，結(jié)合“沸點”定義，判斷不同大氣壓強下水的沸點，科學(xué)論證沸點與氣壓之間的關(guān)系。為通過實驗促成學(xué)生形成物理觀念，提高科學(xué)論證能力作出嘗試。

關(guān)鍵詞：Ａｒｄｕｉｎｏ；實驗改進；沸點與氣壓；數(shù)據(jù)處理與分析

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0061-5

《義務(wù)教育物理課程標準（２０２２年版）》在課程實施部分提出“加強實驗室課程資源的開發(fā)與利用”，有條件的學(xué)?？膳鋫鋽?shù)字化實驗儀器，增強實驗現(xiàn)象的可視化以及實驗數(shù)據(jù)采集的實時化［１］。２０２２年教育部頒布的教育行業(yè)標準《教師數(shù)字素養(yǎng)》指出，教師應(yīng)適當利用數(shù)字技術(shù)加工、創(chuàng)作、使用、管理和評價數(shù)字信息資源，發(fā)現(xiàn)、分析和解決教育教學(xué)問題［２］。這些均說明目前的實驗教學(xué)更加強調(diào)師生的數(shù)字化素養(yǎng)，更加重視對實驗數(shù)據(jù)的分析與處理。

而傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)缺乏實時化、精準化數(shù)據(jù)的支持，大多數(shù)維持在現(xiàn)象觀察的水平，導(dǎo)致收集數(shù)據(jù)、處理分析數(shù)據(jù)、運用數(shù)據(jù)進行論證等環(huán)節(jié)嚴重缺失［３］。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷進步，越來越多的新興技術(shù)被引入到物理教育中以提升教學(xué)品質(zhì)。其中，利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺改進傳統(tǒng)實驗是其典型代表，該平臺不僅實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)采集的實時化與精準化，同時也能兼顧數(shù)據(jù)的處理與分析，為培養(yǎng)學(xué)生處理與分析數(shù)據(jù)的能力提供更為優(yōu)越的教學(xué)手段。

本文以人教版八年級上冊“沸點與氣壓”相關(guān)實驗的改進為例，闡述如何利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺開發(fā)傳感器，設(shè)計新的實驗裝置，形成新的實驗方案，彌補原有傳統(tǒng)實驗的不足。

１ 原有傳統(tǒng)實驗的不足

１．１ “探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗

人教版初中物理教材中“探究水沸騰時溫度變化的特點”實驗，如圖１所示，用酒精燈給水加熱至沸騰。當水溫接近９０ ℃時每隔３０秒記錄一次溫度。仿照繪制晶體熔化圖像的做法，在網(wǎng)格紙上繪制出水沸騰時溫度與時間關(guān)系的圖像［４］。

該實驗設(shè)計存在以下幾點不足：

（１）為了滿足實驗教學(xué)的明確與直觀要求，需要學(xué)生觀察水中氣泡在沸騰前后的變化。但是，使用燒杯進行實驗，氣泡較小且變化過快，致使實驗現(xiàn)象難以達到長足的直觀效果。

（２）查詢筆者所在地區(qū)的大氣壓強為１０３．２ kPａ，沸點應(yīng)高于１００ ℃。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，加白紙片可以使水的溫度達到１００ ℃，但是這里用來隔熱的白紙片可以理解為一個簡易的氣閥，將大量的水蒸氣限制在燒杯內(nèi)從而影響了內(nèi)部氣壓的大小。那么，此時水的沸點還是當?shù)卮髿鈮涵h(huán)境下的沸點嗎？如果不加白紙片，水溫則很難達到１００ ℃，且考慮到水質(zhì)的原因，后續(xù)用純凈水實驗也未達到１００ ℃。這與書本后續(xù)內(nèi)容“水的沸點在標準大氣壓下為１００ ℃”相悖。如果學(xué)生問起這一反?，F(xiàn)象，教師給學(xué)生解釋也存在一定的困難。

１．２ “探究水的沸點與氣壓的關(guān)系”實驗

教材中為研究水的沸點與氣壓之間的關(guān)系，將水加熱至沸騰后，移開酒精燈，把燒瓶倒置；待水溫降低沸騰則停止，當冷水澆到燒瓶上時，瓶內(nèi)氣壓降低。此時，水在９０ ℃左右就能沸騰，于是又能在燒瓶中看到水在沸騰。學(xué)生通過觀察現(xiàn)象得出“氣壓較低時，水可以在較低溫度時沸騰，即水的沸點降低”；進一步分析得出結(jié)論“水的沸點與氣壓有關(guān)，氣壓減小時沸點降低，氣壓增大時沸點升高”［５］。

該實驗存在以下幾點不足：

（１）雖然該演示實驗效果較好，但是初中學(xué)生在理解溫度與密閉氣體壓強之間的關(guān)系上存在困難。另外，用冷水澆到熱燒瓶上具有一定的安全隱患。

（２）該實驗無法實時獲得瓶內(nèi)壓強和溫度的數(shù)值大小，僅僅是通過觀察氣泡的變化情況確定沸騰狀態(tài)。學(xué)生不能觀察到該“沸騰”狀態(tài)是否為“溫度不變，且持續(xù)吸熱”。

（３）該實驗演示的現(xiàn)象僅僅是“氣壓降低時沸點降低”，是一個不完整的實驗。對于學(xué)生而言，想要探究出完整的結(jié)論“水的沸點與氣壓有關(guān)，氣壓減小時沸點降低，氣壓增大時沸點升高”，就需要經(jīng)歷一個完整的探究實驗過程。

２ Ａｒｄｕｉｎｏ簡介

Ａｒｄｕｉｎｏ是一款具有簡單軟件與硬件的開源平臺。即使作為初學(xué)者，也可以在較短時間內(nèi)使用它。Ａｒｄｕｉｎｏ提供了用于代碼編譯的集成開發(fā)環(huán)境（Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ）以及多個模塊化編程環(huán)境［６］。該平臺可以通過燒錄代碼至單片機后，連接傳感器實現(xiàn)與環(huán)境的交互，傳感器接收溫度、濕度、光強度等物理信息，內(nèi)部半導(dǎo)體的物質(zhì)變化而引起電信號的變化；單片機讀取傳感器輸出的相關(guān)電信號，通過相關(guān)的換算公式，就可以在Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ的串口監(jiān)視器中實時讀取相關(guān)的物理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理與分析［７］。Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺作為一個成本小、門檻低、操作簡捷以及功能強大的開源平臺，在改進傳統(tǒng)實驗方面有著廣泛的應(yīng)用。

本研究使用單片機Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０（圖２）和軟件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１（圖３）作為開發(fā)工具，對“沸點與氣壓”相關(guān)實驗進行優(yōu)化改進。

３ 實驗的改進

３．１ “探究水沸騰前后溫度變化的特點”實驗方案

３．１．１ 實驗器材

針對傳統(tǒng)實驗存在的不足，在器材方面作出如下改進：利用Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０、ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器、ＫＰ１０１壓強傳感器、加熱底座、三孔燒瓶、橡膠塞等器材組裝實驗裝置，如圖４所示。

（１）利用軟件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１對兩個傳感器讀取程序進行編程，并且燒錄到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機中，可以從串口監(jiān)視器中觀察單片機是否開始正常工作。

（２）在橡膠塞上鉆出一定大小的孔，用于放置溫度傳感器，以及便于氣壓傳感器通過導(dǎo)氣管采集數(shù)據(jù)；將橡膠塞放到三孔燒瓶的入口中，確認溫度傳感器置于燒瓶的中央位置后，啟動程序檢查運行狀況，在采集數(shù)據(jù)正常之后用玻璃膠密封。

３．１．２ 實驗改進的優(yōu)點

（１）該裝置用電爐代替酒精燈能夠使水快速升溫，從而節(jié)省寶貴的課堂時間。

（２）三孔燒瓶的瓶身相當于一個凸透鏡，起到放大的作用，使實驗現(xiàn)象更加明顯、直觀。

（３）該裝置使用傳感器監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，不僅能保證實驗數(shù)據(jù)的實時性與可靠性，更能滿足實驗數(shù)據(jù)的豐富性。

（４）該裝置在測量溫度的同時，也能測量當前環(huán)境的大氣壓強；直觀地展示在當前大氣壓強環(huán)境下水的沸點，不僅與知識點“標準大氣壓下水的沸點是１００ ℃”相契合，也為進一步深入探究沸點與大氣壓強之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

３．１．３ 實驗步驟及結(jié)論

（１）往三孔燒瓶中加水，使溫度傳感器能夠浸沒在水中。

（２）將ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器和ＫP１０１氣壓傳感器與Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機以及電腦連接。檢查程序是否正常運行，數(shù)據(jù)是否正常傳輸。

（３）將三孔燒瓶放置在電爐上加熱直至水沸騰，通過串口監(jiān)視器每隔１０秒監(jiān)測水溫變化和氣壓變化。演示實驗過程中，提醒學(xué)生注意溫度變化的同時，還需要觀察實驗現(xiàn)象的特點。

（４）實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

實驗數(shù)據(jù)如表１所示。

將記錄的數(shù)據(jù)繪制在圖中，如圖５所示。

實驗結(jié)論：

通過對現(xiàn)象的觀察與實驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出如下結(jié)論：水在沸騰前氣泡由大變小，在沸騰時氣泡由小變大；在沸騰時，水的溫度不變，且持續(xù)吸熱；在高于標準大氣壓的環(huán)境下，水的沸點也高于１００ ℃。

３．２ “探究水的沸點與氣壓的關(guān)系”實驗方案

３．２．１ 實驗器材

在“探究水沸騰前后溫度變化的特點”實驗改進的基礎(chǔ)上，加入止水閥與注射器，改進后的實驗裝置如圖６所示。

（１）將程序代碼燒錄到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機中，監(jiān)測是否正常運行。

（２）將止水閥放到三孔燒瓶的入口中，并連接注射器檢查實驗裝置的氣密性。

３．２．２ 實驗改進的優(yōu)點

（１）該裝置提高了實驗本身的安全性。

（２）該裝置可以通過傳感器實時傳輸實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；學(xué)生可以通過實時數(shù)據(jù)分析，根據(jù)“在某一段氣壓環(huán)境不變的時間內(nèi)，溫度不變且持續(xù)吸熱”，得出某氣壓環(huán)境下水的沸點為某值，保證了實驗探究的科學(xué)性。

（３）該裝置既可以關(guān)閉止水閥，探究高于標準大氣壓時水的沸點與大氣壓強之間的關(guān)系；又可以打開止水閥，利用注射器抽氣，探究低于標準大氣壓時水的沸點與大氣壓強之間的關(guān)系［８］；從而保證實驗探究的完整性。

３．２．３ 實驗步驟

（１）往三孔燒瓶中加水，使溫度傳感器能夠浸沒在水中。

（２）將ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器、ＫP１０１氣壓傳感器、止水閥、注射器與Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０單片機以及電腦連接，檢查程序是否正常運行，數(shù)據(jù)是否正常傳輸。

（３）關(guān)閉止水閥，將三孔燒瓶放置在電爐上加熱直至溫度達到１０３ ℃，通過串口監(jiān)視器每隔１秒監(jiān)測水溫變化和氣壓變化。

（４）打開止水閥，待三孔燒瓶中水溫降到９０ ℃時，將止水閥氣孔通過導(dǎo)氣管與注射器相連；緩慢拉動注射器抽出燒瓶內(nèi)部氣體，觀察燒瓶內(nèi)部現(xiàn)象。

（５）關(guān)閉止水閥，開始加熱，通過串口監(jiān)視器每隔１秒監(jiān)測水溫變化和氣壓變化。

３．２．４ 實驗數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

為得到水的沸點與大氣壓強之間的關(guān)系，從串口監(jiān)視器獲得實驗數(shù)據(jù)之后，還需要對數(shù)據(jù)進行分析處理。根據(jù)沸點定義“在某一段氣壓環(huán)境不變的時間內(nèi)，溫度不變且持續(xù)吸熱”，從而得出某氣壓環(huán)境下水的沸點為某值。串口監(jiān)視器數(shù)據(jù)如表２所示。

從表中數(shù)據(jù)分析可知，在４３秒至４５秒這段時間內(nèi)，大氣壓強為８８ kPａ，溫度每秒升高０．０６ ℃；在４７秒至４９秒這段時間內(nèi)，大氣壓強為８９ kPａ，溫度保持９３．６９ ℃不變，且在此過程中持續(xù)吸熱。由此認為在氣壓為８９ kPａ時，水的沸點為９３．６９ ℃。

重復(fù)上述方法，采集多組數(shù)據(jù)。得到水的沸點與大氣壓強之間的關(guān)系，如表３所示。

實驗結(jié)論：

通過對現(xiàn)象的觀察與實驗數(shù)據(jù)的分析，可以得出結(jié)論：“水的沸點與氣壓有關(guān)，氣壓減小時沸點降低，氣壓增大時沸點升高”。

４ 結(jié)束語

本文將中學(xué)物理實驗與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，利用Ａｒｄｕｉｎｏ開源平臺開發(fā)傳感器，對“沸點與氣壓”相關(guān)實驗優(yōu)化改進，展現(xiàn)出一種新型的實驗方式。不僅彌補了傳統(tǒng)實驗裝置的部分不足，還展示了數(shù)字化實驗的優(yōu)勢所在，拓寬利用數(shù)字化實驗解決教育教學(xué)難題的思路，深化數(shù)字素養(yǎng)的內(nèi)涵；此外，在物理實驗教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生基于數(shù)據(jù)處理與分析進行科學(xué)解釋與論證，促進學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的發(fā)展。

參考文獻：

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

［２］中華人民共和國教育部．教育部關(guān)于發(fā)布《教師數(shù)字素養(yǎng)》教育行業(yè)標準的通知［ＥＢ／ＯＬ］.（２０２３－０２－２１）． ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｚｈｅｎｇｃｅ／ｚｈｅｎｇｃｅｋｕ／２０２３－０２／２１／ｃｏｎｔｅｎｔ

＿５７４２４２２．ｈｔｍ．

［３］易紅郡，姜遠謀．實驗教學(xué)４０年：回顧與展望［Ｊ］． 課程·教材·教法，２０１８，３８（６）：１４－２０．

［４］張如作．“探究水沸騰時溫度變化的特點”的改進與思考［Ｊ］．中學(xué)物理，２０２０，３８（２４）：５３－５４．

［５］韋毅聰．“氣體壓強對液體沸點的影響”實驗的改進［Ｊ］． 物理教學(xué)，２０１７，３９（１１）：４４－４５．

［６］ＧONCALVES Ｂ Ａ，ＦREITAS Ｓ Ｐ Ｗ，ＲEIS Ｄ Ｄ，ｅｔ ａｌ． Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ Ａｒｄｕｉｎｏ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｅａｃｈｅｒ，２０１９，５７（９）：６４０－６４１．

［７］ＯＲＧＡＮＴＩＮＩ Ｇ．Ａｒｄｕｉｎｏ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ，２０１８，１０７６（１）：０１２０２６－０１２０２６．

［８］陳劍峰． 利用ＤＩＳＬａｂ傳感器探究水的沸點與大氣壓強的關(guān)系［Ｊ］． 物理實驗，２０１６，３６（７）：４５－４６．

（欄目編輯 劉 榮）