基于Arduino单片机的一种热学实验仪

刘丹琪　胡志娟

摘 要：自制了基于Arduino单片机的热学实验仪，利用bmp180型大气压温度传感器测得系统在不同条件下气压和温度的变化，探究了做功、气压与温度的关系，有助于教师在课堂定量演示“做功改变内能”和“理想气体状态方程验证”两个实验的教学.

关键词：内能;理想气体状态方程;Arduino;单片机

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0045-03

传统的做功改变内能实验有两种：一种是用空气压缩引火仪演示;另一种是向玻璃容器内打气，塞子弹起来证明.空气压缩引火仪容易引起玻璃炸裂，向玻璃容器内打气，若塞子塞得太紧，塞子不容易冲出，要反复打气，可能存在安全隐患[1].

高中物理教材中有理想气体状态方程的教学内容，配有简单的实验，但是实验过程没有体现各个物理量之间定量的变化，学生能理解宏观的现象，但是无法理解这个实验物理量之间定量的关系.大学物理中进行理想气体状态方程验证实验使用的实验仪器价格昂贵，实验过程抽象，不适合在中学课堂使用.

针对在以上两个实验教学中遇到的实验成本高、测量精度低、成功率低、安全性差等问题，笔者设计了适合在中学课堂使用的热学实验仪，以帮助学生更好地理解这部分知识.

1 软硬件设备

基于Arduino单片机的热学实验仪装置设计图如图1所示，实物图如图2所示.实验仪由实验模块和测量模块两部分组成.

（1）实验模块：针对普通玻璃瓶气压耐受力不足的缺点，采用高硼硅材质的抽滤瓶代替普通的玻璃瓶[2].实验模块由上下咀抽滤瓶、针筒、喷嘴、乳胶塞等组成，针筒的主要功能是通过充气或者抽气对热力学系统做功，改变压强，喷嘴主要用来释放气体降低系统压强，打孔的胶塞方便传感器连接.

（2）测量模块：实验原理如图3所示，Arduino mega单片机作为实验数据处理中心，将大气压温度传感器和液晶显示屏接至单片机，将当地海拔写入到程序中，矫正大气压测量的精准度，传感器采集数据，采集的数据通过单片机发送至液晶显示屏模块.

初次使用时需将单片机连接至计算机，将程序输入到单片机，之后实验不再需要连接计算机，使用移动电源作为电源.

2 实验测试和数据处理

2.1 实验操作步骤

实验将考虑两种情况，即外界对系统做功和系统对外做功.

（1）将整个实验装置看作一个系统，将针筒活塞拉到刻度200mL處，快速推进活塞，完成外界对系统做功的过程，观察p和T的示数变化，并记录温度停止变化时显示屏上的数据.

（2）将针筒处于闭合状态，快速抽拉活塞，完成外界对系统做功的过程，观察p和T的示数变化，并记录温度停止变化时显示屏上的数据.

2.2 做功改变内能验证实验

以2.1实验操作步骤（2）操作为例，每次实验需要记录两组数据.操作前，记录显示屏上的初始数据，快速抽拉活塞，观察显示屏数据变化，当温度数值不再变化时，立刻记录显示屏上的数据.

教师需对学生说明，热力学系统压强变化是动态的，即使不进行操作，压强的数据也会产生轻微波动.

2.3 验证理想气体物态方程实验

空气可近似看作理想气体，当实验过程进行较快时热力学系统可近似视为绝热系统.在这样的条件下，使气体的物质的量固定，改变系统的温度和气压，探究热力学系统气体物质的量是否满足n=pV/RT.判断实验是否成功的标准为n值偏差程度.空气的气体摩尔质量理论值为28.9643g/mol.

按实验步骤（1）进行实验：记录初始气压为p1，初始温度为T1.实验操作后，选择温度不再变化时刻的数据进行记录，记录末状态气压为p2，末状态温度为T2，初状态物质的量为n1，末状态物质的量为n2.实验前系统体积为1.7L，实验后系统体积为1.5L.系统气体物质的量理论值为n0=0.07589mol，数据见表1.

数据分析结果见表2，n2/n1为实验前后测量的气体物质的量之比，n0是实验前系统气体物质的量的理论值，n1/n0为实验前测量得到的气体物质的量与理论值之比，理论差为实验前测量值n1与理论值n0的相对误差，平均为3.27%.前后差为n1和n2的相对误差，平均为0.38%.

图4是根据表1、表2的数据制作的n1与n0的误差示意图，实验前测量值n1比理论值n0小，可以看出误差在均匀可控的范围内.如图5是n1与n2误差示意图.实验在不同条件下进行，每组数据实验前后的误差都很小.

按照实验步骤（2）进行降压组的数据处理与上述内容基本一致，不再赘述.降压组理论误差平均为4.28%，前后误差平均为0.29%.

2.4 误差原因分析

（1）系统误差：空气的标准摩尔质量的参考值28.9643g/mol是在0℃、101.33kPa下实验室中测量出来的，本实验使用的空气不处于标准状况，并且含有水蒸气和杂质，所以初始测量的气体物质的量n1与理论值n0有偏差.

（2）仪器误差：bmp180型大气压温度传感器需要根据海拔矫正气压数据，会产生难以避免的传感器误差.连接传感器和Arduino单片机的杜邦线绝缘层不完全密封，会导致轻微的气体泄漏，所以本实验一定要在较快速的情况下进行.

（3）读数误差：大气压强的值容易受到气流的影响，所以充气抽气结束时，传感器测得的气压值会突然产生幅度较大的变化，这是气流扰动导致系统内气压不均匀造成的.所以要选择温度示数稳定，气压回落至平缓状态时读数，尽可能避免读数产生的误差.

按实验步骤（1）（2）各进行10组实验，实验前测量值n1与理论值n的平均误差为3.8%，实验前后测量值n1与n2平均误差为0.47%，误差在合理范围内.

3 结束语

将Arduino系统引入中学热学实验，可以引导学生灵活结合各种传感器进行探究实验，例如将湿度传感器加入本实验仪，可以探究空气湿度对实验结果的影响，填补部分热学实验的空缺，亦可培养学生的物理探究创新思维.

参考文献：

[1]江耀基，肖春燕，蓝斗高.做功改变内能实验演示仪[J].物理实验，2019，39（12）：54-55+59.

[2]任少铎.基于安全性的“做功改变内能”实验改进[J].中学物理，2020，38（12）：38-39.

（收稿日期：2021-08-17）

作者简介：刘丹琪（1998-），女，宁夏银川人，硕士研究生，研究方向：物理教学;

胡志娟（1978-），女，四川万源人，博士，副教授，研究方向：大学物理教学、信息光学.