数字显示液体压强计的设计及教学应用

张昌华

摘   要：基于传统教具的不足，对初中物理实验用的液体压强计进行再设计，采用谐振式液体水位传感器、模拟TDS传感器读取液体深度和密度，并通过Arduino平台处理计算出液体的压强。通过应用数字式液体压强计的教学案例，凸显了它的实验教学优势，实验现象更明显，步骤更简洁，数据读取更直接，自制液体压强计把信息技术应用在物理教学中，激发学生对前沿科技技术的求知欲。

关键词：液体的压强; 控制变量法 ;Arduino; 谐振式液体水位传感器; 模拟TDS传感器压强计;自制教具

1  传统实验不足之处

初中物理的课程标准规定：“液体的压强这节课的要求是，通过实验，探究并了解液体的压强与哪些因素有关”[ 1 ]。在现行的初中物理教材中，探究液体的压强与哪些因素有关教学中通常采用教学过程是：先介绍“U”形压强计原理和使用方法，让学生了解液面高度差代表液體内部的压强大小，从而为探究液体内部压强提供测量仪器，再分步骤进行液体内部压强影响因素探究[ 2 ]，但也存在较多不足。

（1）无法定量测量：学生需要掌握U形液体压强计原理，压强计是通过转换法把压强大小转化为液面的高度差，无法直接测（读）出压强的大小，实验只能定性观察，无法定量测量，不够直观。

（2）稳定性弱：探究过程中存在探头深度变化，而液面高度变化不明显，不易观察。这套传统教具的探头包着橡皮膜，橡皮膜使用时易破损或老化，然而该实验对气密性又有很高的要求，这个矛盾造成实验存在不确定性，一旦橡皮膜漏气，实验现象将不明显甚至无法进行实验。

（3）传统教具灵敏性差：在探究液体密度与压强关系时，向液体加盐时，液面高度差变化不明显，不易观察。

为克服以上所述不足，笔者把压强计的结果数字化，不再通过观察液面高度差来反映液体压强大小，而是直接测出液体的压强，使实验更加直观。为了实现改进的目标，本人设计并制作了数字显示液体压强计。

2  数字显示压强计的设计

2.1  实验装置组成及元件介绍（如图1）

数字显示压强计组成有：Arduino、谐振式液体水位传感器、模拟TDS传感器、LCD1602液晶显示屏、塑料探头。

Arduino：是一种开源平台，该平台主要基于AVR单片机的微控制器和相应的开发软件（ArduinoIDE）[ 3 ]。

谐振式液体水位传感器：水位高低是根据与水压气管里的空气压力大小来判断。

模拟TDS传感器：用于测量水的TDS值。TDS（Total Dissdved Sdids）中文名：总溶解固体。

塑料探头：由塑料盒和薄橡胶膜组成（和U形液体压强计的探头一样），用于以谐振式液体水位传感器的软管的尾部相连，构造一个整体。

2.2  数字显示压强计原理

原理：实验装置利用Arduino与谐振式液体水位传感器、模拟TDS传感器连接，Arduino的数字接口读取谐振式液体水位传感器液体的深度，Arduino的模拟接口读取模拟TDS传感器液体的TDS值，通过软件编写建立TDS与液体密度的映射表（用比重计测出不同浓度盐水的密度并同时用模拟TDS传感器测出TDS值，建立二者之间映射关系）再由公式p=ρgh计算出液体压强，并把深度和液体压强在LCD1602液晶显示屏显示。

2.3   数字显示压强计的特点

（1）将会实现液体的深度和压强直接通过LCD液晶显示屏显示所测的结果，这是与传统的“U”型压强计最大的区别，也是这套器材的最大亮点。

（2）谐振式液体水位传感器能够直接读取液体深度，误差控制在3 cm以内，能够及时的反馈液体压强的变化。

（3）改进后实验对密度变化特别灵敏，只要加少许的盐，模拟TDS传感器就有反应。

（4）改进后实验用LCD1602液晶显示屏具有背景灯功能，且像素高，使实验数据更便于学生观察。

3  数字显示压强计的实验教学应用

教学应用案例：探究液体内部压强的特点

【教师活动1】 （提出问题）根据前面的演示实验我们知道液体内部存在压强，那液体内部压强大小跟什么因素有关？

【学生活动】 （猜想与假设）思考并回答：

猜想A：液体内部压强可能与深度有关。

猜想B：液体内部压强可能与容器形状有关。

猜想C：液体内部压强可能与方向有关。

猜想D：液体内部压强可能与液体密度有关。

设计意图：通过引导，让学生提供猜想空间，为后面的实验探究做准备。

【教师活动2】大家回答的很好，液体内部压强大小可能跟深度、容器形状、方向、液体密度有关，当我们遇到多变量问题，我们该怎么解决？

【学生活动】  根据上节进行探究压力作用效果的因素实验可知，多变量问题，一般采用控制变量法进行实验探究。

设计意图：让学生体会控制变量法在实验探究中有重要作用，初中阶段应该要掌握的实验方法。

【教师活动3】 （实验探究）同学们，经过我们一起努力已经对液体压强大小有了初步想法了，现在让我们一起实验验证我们猜想。

3.1  探究1：液体压强与液体深度h深的关系

器材：数字显示压强计、大容器（深度大于30 cm）、水。

实验步骤：

（1）在容器中加入足够多的清水，再把探头慢慢浸入清水中，依次选择三个不同深度点，在液晶显示器上读取深度h1，h2，h3，对应每点的压强值p1，p2，p3，将数据填入表1中。

表1

利用表格数据可以进行定性分析得出实验结论：液体内部的压强跟深度有关，同种液体随深度的增加而增大[ 4 ]。

（2）画出压强-深度函数关系，发现图像是1条过原点的直线（图2所示）。可以进行定量的分析得出实验结论：同种液体压强与液体深度成正比，也为下步学习定量液体压强的公式提供佐证。

3.2  探究2：液体内部压强与容器形状关系

器材：数字显示压强计、两个不同形状的大容器（深度大于30 cm）、水。

实验步骤：完成师生探究1实验基础上，改用不同形状的容器用探头测如表1所示相同深度的液体压强，并记录数据。分析数据可知：液体的压强与容器的形状无关。

3.3  探究3：液体内部压强可能与方向的关系

器材：数字显示压强计、大容器（深度大于30 cm）、水。

实验步骤：

在容器中加入足够多的清水，采用控制变量法，控制探头深度不变，改变探头的方向，采集探头向上、向下、向左、向右，四个方向的压强读数，为了验证规律的普遍性，改变不同深度，多做几组对比实验，填入表2中。

表2

通过数据对比分析归纳出结论：液体内部朝各个方向都有压强;在同一深度，各个方向压强相等[ 4 ]。

3.4  探究4：液体内部压强与密度的关系

器材：数字显示压强计、大容器（深度大于30 cm）、水、食鹽。

实验步骤：

（1）在容器中加入足够多的清水，将探头固定在一定深度（如：h深=200 mm）不变，计录此刻固定深度清水中的液体压强。

（2）保持探头固定深度不变，再向清水中多次添加食盐（未达到饱和前），并记录每次添加食盐后的液体压强填入表3。

由数据分析可知：液体的压强还与液体的密度有关，在深度相同时，液体密度越大，液体的压强越大[ 4 ]。

【师生总结】 液体压强的特点，探究实验结束。

3.5  数字显示压强计教学应用的注意事项和误差分析

3.5.1  注意事项

（1）探究液体深度与压强关系时，探头操作适当慢些，每点建议停留1 s以上，便于观察压强的数据的变化。

（2）在使用仪器前要注意仪器深度校零：谐振式液体水位传感器受到本身精确度（深度小于5 cm误差大）和不同环境下的大气压的影响，会造成深度存在误差。

（3）实验默认采用水进行实验，水的初始密度设为ρ水=1000 kg/m3，如果采用不同液体进行实验需要通过软件重新设定初始密度。

3.5.2  误差分析

（1）测量值相对真实值的误差（探头深度大于10 cm时）液体水位传感器深度值：绝对误差Δh=|h-h真|=3 cm。

实验结论液体压强：p=p±300 pa

（2）误差修正

液体水位传感器深度值：相对误差δh=3/h真

提高测量深度可以减小相对误差，提高液体压强的精确值。

4  结束语

运用自制数字显示压强计简捷、迅速地测出液体的压强，并顺利完成探究液体的压强与ρ液和h深有关实验，还可以探究液体的压强和容器的形状是否有关的实验。该教具克服了传统定性实验观察的不足，实现了定量测量，直观科学，并且把传感器和Arduino引入物理教学中，激发学生学习新技术的兴趣，培养学生利用信息技术的能力。

参考文献：

[1] 关松林.初中物理教学指导[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2] 秦伟.初中物理教科书经典教学实验介评[M].广州：广东科技出版社，2013.

[3] （法）詹姆斯 A.兰布里奇.Arduino 编程：实现梦想的工具和技术[M].北京：机械工业出版社，2017.

[4] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育科教书物理八年级下册[M].北京：人民教育出版社，2012.