基于STM32的数据采集器设计及其在电容器充放电实验中的应用

许婉燕 吴先球 谢元栋

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州 510006)

1 问题的提出

“了解电容器”选自粤教版高中物理选修3-1［1］，根据《普通高中物理新课程标准(实验)》要求，电容器和电容2个概念是本节课的教学重点.电容器是高中生接触的第一个非线性电学元件，电容器充放电实验对促进学生建构电容器、电容概念至关重要，对学生概括能力、抽象思维能力水平提出了较高要求［2］，是本节课教学难点之一.其中，了解电容器充放电过程呈现的特殊暂态变化有助于学生学习后续交变电流知识.

本文将自行研发的基于STM32的数据采集器应用于电容器充放电实验中，通过实时采集实验数据，克服传统实验中存在的实验现象短暂、信号微弱难以观察［2］这一难题.实验中完整记录电容器充放电的瞬间变化过程，提供实时的图像，能够帮助学生定性了解电容器的工作过程实验;拟合物理量之间的变化规律，进行半定量分析，为运用比值法定义电容做准备.

2 实验平台设计

传统实验中通过小灯泡、检流计及电压表的变化获取对电容器充放电过程的定性认识［4］.然而实际实验中，回路电流微弱导致小灯泡亮度变化不明显，且电表指针偏转迅速，学生无法看清其变化.因此，本实验中加入电阻延长充放电时间，利用数据采集器的电流采集端、电压采集端分别代替检流计、电压表接入电路.

电容器充放电实验平台如图1所示.其中，数据采集器以入门级嵌入式系统ALIENTEKSTM32F103RB开发板为硬件开发平台，KeilC为软件编程平台，在此基础上添加精密电流传感器扩展微小电流采集功能，信号经I/O口输入即可高速精密采集电压［3］或电流值.实验时，在数据采集器的P1.1(CH1)、P1.2(CH2)2个I/O分别输入电压、电流信号，可进行双通道信号同步测量，并将数据通过串口传输到PC上位机平台.

图1

上位机界面(图2)简洁直观，操作简便，首先在“控制区”选择串口连接数据采集器和上位机平台.教师可手持数据采集器通过板上“开始/暂停”按键遥控实验，扩展了教师的活动范围，方便进行课堂互动.采集到的信号将在“绘图区”显示出来，在“图像存储回放区”可查看历史图像，便于教师讲解或总结.

图2

3 电容器充放电实验

控制数据采集器开始采集，对电容器进行充电、放电，学生由I-t图(图2)可知回路中产生了方向相反的电流，迅速增大而后又减小为0.针对学生存在的“电容器充放电的电流为什么是短暂的、变化的”这一困惑，引导他们由关注实验现象深入到关注现象本质，通过回顾产生电流的微观过程.结合Uc-t图、Q-t图，以“电流如何产生?电荷量如何累积?电势差如何形成?能量如何转换?”4个问题为主线逐步了解电容器的工作过程.

此过程中，Q、Uc呈现相似的变化，作Q-Uc图得到一条过原点的直线.更换电容器并对其进行充放电，得到另一条倾斜程度不同的直线.由数学图像中“斜率”知识可知，对于不同的电容器，Q/Uc为不同的定值.在此引入一个演示实验先得到Q、Uc之间的关系，从学生已有的数学图像知识出发，避免定量探究对学生现阶段能力造成太大负担［5］，也为接下来运用比值法定义电容做必要的铺垫［2］.

4 小结

将基于STM32的数据采集器应用于电容器充放电实验中，不仅能培养学生读图能力，更能帮助学生利用已有数学知识实现定性观察到定量分析的上升过程，发展学生概括和抽象思维能力，促进学生对电容器、电容概念的建构，了解电容器特殊的工作过程，从而突破教学难点.

在此数据采集器的基础上更换各类传感器，可在力、热、电、声等多种实验中将各种物理量转化为电学量(电压、电流)进行测量，不仅改善实验效果，还培养了学生的实验能力.本数据采集器成本低、通用性强，在使用时，只需把用户程序安装在计算机上，就可以作为实验仪器应用于教师演示实验、学生探究实验及研究性学习等.

1 普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1.广东:广东教育出版社，2011.

2 周鹏，张德启，李新乡.信息技术支持下的探究性教学案例——“电容器与电容”教学设计［J］.物理教师，2008:29.

3 刘军.例说 STM32［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011:4.

4 廖伯琴.物理教学研究与案例［M］.北京:高等教育出版社，2006:12.

5 万开琼.略论中学生物理学习的思维障碍［J］.物理教师，2013(5).