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基于物联网技术探究液体内部压强规律

2023-09-08 104 上传者：管理员

摘要：分析传统实验教具“U型管压强计”在实验教学过程中存在的缺点与问题.通过将GY-MS5837液体压强传感器搭载ESP32模块等硬件组装成创新实验教具，并基于Phyphox专用实验软件定量研究液体内部压强与液体密度的关系，液体内部压强与液体深度的关系.详细介绍实验装置的设计和在教学中的使用方法，极大程度上提高了实验教学效果，促进学生科学思维深度发展，发展物理学科核心素养.

关键词：
传感器
教育学
液体压强
物理教学
自制教具
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《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)明确指出：教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融入物理教学，创新教学方式，提升教学效率.同时，教师应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中，帮助学生适应数字时代的要求，提升学生运用信息技术的能力.物理课程的育人目标是培养学生的物理学科核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.科学探究在物理观念和科学思维的指导下进行，它能够促成和推动学生科学态度与责任的发展，也能通过它来建构物理观念和训练科学思维.简单而言，科学探究是学生形成其他素养的主要途径，同时它也是一种关键能力.因此，教师有必要创新教学方式，激发学生科学探究意识，培养学生的创造性和科学逻辑思维，基于实验数据得出实验结论，从而发展学生信息素养和物理学科核心素养.

1、教材中的位置

在新课标中，学生探究实验“探究液体压强与哪些因素有关”被列为探究类学生必做实验.该实验在各个版本的初中物理教材中均有出现，在沪科版初中物理九年级上册第六章第3节“液体内部的压强”中，该探究实验详细分析了液体内部压强的产生原因、大小和方向，归纳了液体内部压强的规律，介绍了连通器在生产生活中的广泛应用.其中有较大篇幅介绍“U型管压强计”,它由一个小金属盒(上面蒙有一层薄橡皮膜)和U形玻璃管组成，管内装有水或水银，当橡皮膜受到的压强为零时，U形管两边液面相平(在同一水平线上),当橡皮膜受到压强作用时，两管内液面产生高度差，压强越大，两液面高度差越大，因此由两管内液面的高度差可知被测压强的大小.而在真实的日常教学过程中，压强数据其实只是液体压强与大气压强的差值，即液体由于重力产生的那部分压强.这很容易让学生错误地将液体由于重力而产生的压强等效成为液体压强，不利于学生理解知识，对学生后面学习大气压强有一定的误导，使学生形成错误概念.除此之外，该教具体型较大，其主要部件为玻璃制品，这会导致学生使用教具不便或发生安全事故.因此大多数物理教师选择以教师(或视频)演示实验代替学生探究实验，但这会极大阻碍学生探究思维的形成和发展，不利于学生物理学科核心素养的发展.而目前市面上大部分压强传感器的教具都仅限于测量气体压强，固体压强.基于此，教师需设计一款携带方便，数据直观准确，安全且便宜，能够促进学生全面发展，解决实验分析只停留在定性层面的实验教学教具.笔者将详细介绍这种创新实验装置的设计和应用于教学的实验过程.

2、创新实验装置的设计

2.1实验材料

GY-MS5837高精度液体压强传感器、ESP-WROOM-32模块及功能扩展板、1306-OLED显示屏、蓝牙模块、5V直流电源、Phyphox专用实验软件、侧方带孔的亚克力容器、伸缩杆、固定用燕尾夹及导线等配件.

2.2结构介绍

2.2.1测量装置的搭建

MS5837压强传感器是新一代的高分辨率I2C接口压强传感器，高分辨率的温度输出可以同时实现温度计的功能.它可以与所有形式的微控器配合，通讯协议非常简单，ESP-WROOM-32(ESP32)是乐鑫发布的新一代WiFi/蓝牙双模双核无线通信芯片，芯片集成蓝牙和WiFi技术，拥有高性能双核处理器，支持超低功耗待机，可作为一个蓝牙外接设备与手机建立连接，基于ESP32模块搭建液体压强采集系统.通过伸缩杆将传感器伸入不同深度(或不同密度)的液体中，实时采集液体压强数据，数据采集装置搭建流程如图1所示.

2.2.2实验装置的制作

笔者对GY-MS5837高精度液体压强传感器进行防水处理.因该模块本身作为芯片不能够防水，可以用热熔胶对模块进行包覆，应避免将热熔胶涂抹于金属探头上，以免影响其精确度.将各组成构件按照搭建流程图进行组装，把传感器安装于伸缩棒上，在亚克力圆柱桶中注水，通过伸缩棒将传感器伸入水中，并改变其深度和方向.通过观察1306-OLED显示屏上实时更新的数据可知压强正随着深度的变化而变化.通过手机端的Phyphox专用实验软件扫描蓝牙列表，即可将ESP32模块与手机相连，软件可自动进行线性拟合，得到压强与深度的数量关系(如图2所示).

2.3装置实物图(如图3、图4所示)

3、实验教学环节概述

整个实验教学设计环节共分三步，第一步是教师播放视频，让学生观察泡沫箱在不同海洋深度的体积变化，让学生说出海水中存在压强.第二步是教师演示传统实验，引导学生提出猜测.教师用深度约1米的亚克力圆筒进行演示实验，学生通过观察亚克力圆筒一侧相同直径的深度不同的三个小孔流出的水流喷射远近现象(如图5所示),猜测液体压强可能与深度有关，深度越深压强越大.

第三步是学生小组合作探究.教师用创新教具让学生分组实验收集数据.传感器将数据传回芯片，芯片将数据传回手机端，由手机APP进行数据分析.定量分析数据得出结论，将记录的数据进行分析，定量描述液体压强和深度之间的关系，验证之前的猜想是否与数据吻合，以此让学生理解科学大概念：科学上的解释、理论和模型能与可获得的实证吻合(如图6所示).

3.1实验步骤

(a)组装好教具，连接并打开电源，待各模块正常工作，将伸缩棒连同液体压强传感器一同慢慢伸入注水后的容器中.

(b)打开Phyphox专用实验软件，通过蓝牙建立连接，点击开始实验，实时采集压强数据，增加传感器的深度，采集压强与水深的线性关系.

(c)放大图像，利用图表的平移和缩放功能，选取相关数据标签，得到压强-水深两者关系，可显示图像斜率和截距，教师可解释相关的物理意义.同时在1306-OLED液晶显示屏也可观察到实时的数据.

(d)将伸缩棒用燕尾夹固定在容器壁上，轻轻拉动导线，使传感器在同一深度的不同方向采集数据.分析数据得出结论.

3.2实验数据(见表1、表2)

笔者分别记录了在上海地区(平均海拔：3m)和云南地区(平均海拔：2000m)两地收集的液体压强与液体深度的实验数据，测试装置准确性.从表中可以很直观地看出，不同海拔，大气压强不同.

表1液体压强与液体深度的实验数据(环境温度：20℃,平均海拔：3m)

3.3实验结论

分析表格数据可以得到液体压强与液体深度的关系，实验证明：液体内部存在着向各个方向的压强，而且在同一深度，各个方向上的压强都相等.在同种液体内部，深度越大，该处的液体压强也越大.选取相应数据标签，以云南地区获取的数据为例，线性拟合后的图像解析式为y=0.977723x+80.3,截距为80.3kPa,表示当地的大气压强为80300Pa.上述数据为水面下h处的压强，根据帕斯卡公式p=p0+ρgh验算上述数据可知，本实验获得的数据较为准确.如果教师因实验需要仅需获取液体内部压强，通过修改程序代码即可实现该功能.液体内部压强与深度的数据显示情况见表3.

表3液体内部压强与液体深度的实验数据(环境温度：20℃,平均海拔：3m)

为了更直观地反映二者之间的关系，教师可为学生提供坐标纸，请学生将得到的数据在坐标纸中描点作图，观察并总结得出p-h的关系.学生完成后，教师用Excel软件处理实验数据(如图7所示).

4、结束语

中国教育已进入新时代，新时代的教育将更加关注物联网、人工智能等技术对教育的推动作用，以落实教育现代化建设的目标，这将为物联网技术引入教育带来新的发展契机，也为创新型人才的培养提供莫大的帮助.本装置利用ESP32与Phyphox进行组装.较精确地测得了液体内部压强、液体深度的数据.以此来定量研究液体压强与液体深度的关系.整套设备造价便宜，组装简单.对不了解创客的物理教师来说，这一设备也十分容易上手，且较容易掌握实验装置背后的科学原理.考虑到学生可能没有手机进行自动采集数据，教师也可以通过外接的显示器，由学生进行手动的纸笔记录，十分方便.本套教具是在分析传统配套实验教具的不足后研制的.通过自制教具，教师的信息素养和创客思维能够进一步得到加强.这也能一并提升学生的信息素养，发展其物理思维，科学观念在工程设计实践中具有重要指导作用，也可在很大程度上提高学生实验的积极性，提升实验教学效果，促进学生科学思维深度发生，发展其物理学科核心素养.

参考文献:

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2022年版)[S].北京:北京师范大学出版社,2022.

[2] 陈楚琪.自制教具探究气体压强对液体压强的影响[J].中学物理教学参考,2021,50(09):59-60.

[3] 陈剑峰.基于ESP32与Phyphox的多功能振动实验装置的设计与实验[J].物理教师,2022,43(08):49-51.

[4] 田欣.物联网技术在中学物理实验教学中的应用研究[D].天津:天津师范大学,2022.

[5] 祝钱,徐巧,沈承昱,斯莉莎.变异理论视角下深度影响液体压强大小的实验设计[J].中学物理,2022,40(06);23-25.

基金资助:2020年度上海市教育科研市级课题“迈向深度学习:优化中小学STEM项目的实践研究”(项目编号:C20057); 2022年度上海市浦东新区教育科学研究区级课题“支持学生像专家一样探究实践——‘脚手架’的设计与实施研究”(项目编号:2022B013);

文章来源:康顺,陈海涛,黄长亚.基于物联网技术探究液体内部压强规律[J].中学物理,2023,41(18):63-65.