基于智能手机Phyphox和ESP32的高中物理创新实验

来源:用户上传      作者:李鑫

　　【摘要】通过Arduino将程序烧录到ESP32中就可以精确测量微小感应电动势，通过Phyphox的蓝牙拓展技术实现可视化的电压时间图像，进而读取感应电动势的数值。采用控制变量法将不同数量的强磁铁从相同高度落下改变磁通量;相同数量的强磁铁从不同高度下落改变通过线圈的时间，得到感应电动势与磁通量变化率的关系，验证法拉第电磁感应定律。基于智能手机Phyphox和ESP32的高中物理创新实验，提高学生实践创新能力，提升学生物理学科核心素养。
　　【关键词】高中物理;Phyphox;智能手机;ESP32;Arduino;法拉第电磁感应定律;微电压传感器
　　一、引言
　　在新教材人教版高中物理教材选择性必修2第二章第2节“法拉第电磁感应定律”中，教材安排了将强磁铁从玻璃管中的不同高度下落观察电压表示数的定性实验。再根据定性分析得出定量结论，即电磁感应定律就可以表示为，根据教材的安排，笔者提出几个疑问：
　　1.根据教材安排的实验，由定性分析直接得出定量的结论，这个会使学生造成一定的认知冲突，任何一条物理规律都需要实验进行验证，学生不禁产生疑问，感应电动势与磁通量到底成怎么样的变化规律。
　　2.笔者亲测实验并利用手机视频截图方法观察强磁铁通过线圈时产生的最大感应电动势，发现当强磁体分别从20cm、30cm、40cm、50cm不同高度下落时，电压表示数变化不明显，尤其40cm和50cm处产生的感应电动势几乎不变。这是由于强磁铁下落经过线圈时速度大，产生的感应电动势变化快，而磁电式电压表是测量恒定电压的。为了解决这一问题，笔者尝试利用智能手机Phyphox和ESP32改进实验验证法拉第电磁感应定律。
　　Phyphox全称“physical phone experiments”，
　　是由德国亚琛工业大学在2016年基于传感器设计开发的一款手机物理实验软件。Phyphox中包含的6种传感器可采集手机内部各种传感器的数据，拓展物理实验教学工具，突破传统传感器操作的局限性，具有成本低、方便实用的特点。使用者可以通过官网Editor功能编写实验程序，通过二维码扫一扫或者蓝牙技术添加实验模块。
　　ESP32是一系列具有集成WIFI和双模蓝牙功能的低成本，低功耗片单片微控制器。ESP32系列在双核和单核版本中均采Tensilica Xtensa LX6微处理器，并内置RFbalun、天线开关、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器和电源管理模块。
　　二、创新实验方案
　　由于本实验产生变化的电动势，利用磁电式电压表不能精确地测量，所以本实验利用Phyphox和ESP32制作为微电压传感器。基于智能手机及相关技术开发实验，包括开发环境的搭建、实验程序的编写与烧录、实验程序的运行与修改。运用Arduino编程软件编写测量微小电压程序（如图1所示），将程序代码烧录到ESP32中，用杜邦线把线圈的两端连接到ESP32的GMD和P25两个端口。打开Phyphox软件，选择蓝牙设备添加实验，就可以利用ESP32上的传感器，将电信号转化成数字信号，利用蓝牙将数据传给Phyphox上，进而可以绘制电压―时间图像，得到感应电动势的具体数值。
　　三、实验原理和探究过程
　　如果保持N与S不变，磁通量=BS，感应电动势E=K就可以转化验证。如图所以2，所以实验装置，分别探究感应电势E与的关系，分析实验数据的规律性，通过归纳总结验证法拉第电磁感应定律。
　　1.探究感应电动势E和磁通量变化量的关系
　　保持磁铁的下落高度不变（通过线圈的时间不变），通过改变磁体的个数，探究感应电动势E和磁通量变化量的关系。闭合线圈的大小不变，即S不变，通过改变强磁铁的个数，改变?B（即改变）。让不同个数的强磁铁从距离线圈10cm高度落下，改变测得的感应电动势E，通过Phyphox和ESP32获取实验数据（如图3所示），读取强磁铁通过线圈时产生的感应电动势并记录表格如表1。
　　2.探究感应电动势E和通过线圈时间变化量?t的关系
　　保持磁铁的个数不变（通过线圈的不变），改变强磁铁下落的高度，根据动能定理得，当磁铁通过线圈时，由得，把探究E与的关系转化探究E与的关系。利用Phyphox和ESP32得到不同高度的强磁铁通过线圈的感应电动势图像，将实验数据记录在表格中，如表2所示。
　　四、数据采集处理和分析
　　利用Excle表格分析并拟合图像，得到如图4探究感应电邮E与强磁铁个数n的关系图像，以及图5感应电动势E与的关系。
　　通过图像分析得出结论：在误差允许的范围内，感应电动势的大小与磁通量的变化量成正比，即E?。感应电动势E与下落高度成正比，进而E与成正比，即E。
　　综上两个探究实验，可以得到，当面积S一定时，即E，进而得出结论：闭合电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比，这就是法拉第电磁感应定律，即E=K.
　　五、实验心得与反思
　　1.低成本效果佳，锻炼学生实践能力
　　本实验不用高昂的传感器套件，低成本的ESP32和人手一部智能手机的配合，实现了微电压的数字化记录和图像化显示，解决了智能手机难以开展电学实验的问题。学生可以通过动手实践体会创新物理实验过程，激发学生的实践能力和创新能力。
　　2.师生共同参与，提升物理核心素养
　　虽然本实验需要一定的编程基础，但都是基于Phyphox本身的库，利用Ariduino烧录到ESP32中。基于Phyphox蓝牙拓展技术，利用ESP32和智能手机的配合开发出可视化强、证据性强，能激发学生的浓厚学习兴趣，通过综合创新的方式解决问题，培养学生的物理学科核心素养，从而落实立德树人根本任务，体现物理课程的育人要求。
　　3.融合信息技术，提升学生探究能力
　　随着信息技术的不断发展，不少以往需要用到精密且昂贵的传感器的实验，如今均可用智能手机来实现，这将极大提高课内外物理实验的实验效果和学生进行物理研究的兴趣。
　　参考文献：
　　[1]李锡均，程敏熙，江敏丽.数字传感器新载体――智能手机在物理实验中的应用综述[J].大学物理，2018，37（2）：53-59，63.
　　[2]惠宇洁.智能手机在物理实验教学中的应用探讨――以Phyphox软件为例[J].物理教学探讨，2018，36（7）：70-72.
　　[3]陈健.法拉第电磁感应定律的简易验证[J].物理教师，2019，40（11）：52-54.
　　[4]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研发中心.普通高中教科书物理必修三[M].人民教育出版社，2019.
　　[5]郑刘德.法拉第电磁感应定律定量演示实验的研制[J].物理教师，2016，37（4）：50-51.
　　责任编辑 罗燕燕

nlc202207041138

转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15435302.htm