基于STM8探究影响液体压强装置的设计与实验

焦政翰　田建民　李勇强　田博雅

摘   要：创新实验能够更好地辅助学生深入了解液体压强，强化学生应用信息技术解决物理问题的能力。各种传感器和数字化显示模块在教学实验设备中的运用较好地促进了教学实验设备的数字化进程。利用STM8模块、高精度气压传感器HP303B和TM1620数码驱动显示模块设计数字化压强测量装置，借助定性、定量两种分析方法，探究液體密度和深度对液体压强的影响。

关键词：液体压强；实验改进；STM8；压强测量装置

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）3-0052-4

随着数字化社会的建设，现代信息技术已经成为重要的教育技术之一。现代信息技术一方面是作为教学的手段，另一方面是作为实验教学的设备和测量方法［1］。利用数字化实验技术设计的中学物理实验，具有适用面广、实验操作简便、测量结果精确、自动生成测量数据和处理数据等优势。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出：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，鼓励学生将信息技术应用到物理学习中，帮助学生适应数字时代的要求，提升学生应用信息技术的能力［2］。

1    教材中的装置

人教版八年级下册物理教材（2012年版）第九章第2节“液体的压强”介绍了液体压强的特点和液体压强的大小，引导学生探究并了解液体压强与哪些因素有关［3］。教材在探究影响液体压强因素环节提供的方案如图1所示，将探头浸入同一液体，改变探头浸入液体的深度，观察微小压强计U形管两侧液面高度差；控制探头浸入液体深度一致，使用不同密度的液体，观察微小压强计U形管两侧液面高度差。上述方案只能简单的定性分析，无法定量分析。设计一套能够从定性、定量两种分析方法探究影响液体压强的实验装置，通过现象的观察和实验数据的比较分析，可以有效帮助学生深入认识液体密度和深度对液体压强的影响。

2    实验装置的设计与制作

2.1    制作装置的材料

实验装置示意图如图2所示，制作所需的材料主要有：STM8S103F3P6模块、高精度气压传感器HP303B、TM1620数码驱动显示模块、5 V直流供电模块、亚克力方形容器、微小液体压强计（U形管、探头、橡胶管、橡皮筋）、3D打印的传感器外壳、透明塑料刻度贴纸。

2.2    STM8数字压强测量装置的搭建

STM8是意法半导体公司生产的8位MCU，具有电路结构简单、存储空间大、数据处理效率高、外设接口丰富等特点，可以将其应用于压强测量的装置［4］。基于STM8的压强测量装置使用高精度的数字气压传感器HP303B，测量探头所在位置的压强，并通过内部总线将数据传输至STM8进行处理，随后STM8将处理完成的压强数据实时发送给数据显示模块，由LED专用驱动控制IC TM1620驱动5位数码管将其显示。基于STM8的压强测量装置框图如图3所示。

2.3    实验装置的制作

实验装置实物图如图4所示，利用亚克力透明板制作三个大小相同的方形容器，用热熔胶将微小压强计U形管固定于方形容器左侧的同一高度处，方形容器右侧粘贴透明塑料刻度纸。组装微小压强计探头，配置实验使用的浓盐水，并将食用油、水、浓盐水倒入方形容器，控制液面位置在同一高度处。

3    实验过程

3.1    定性探究

3.1.1    探究液体压强与液体深度的关系

为探究液体压强与液体深度的关系，控制液体密度一定。将微小压强计探头与U形管相连接，不断增大探头浸入液体的深度，观察U形管两侧液面高度差的变化。如图5所示，U形管a，b，c，d分别对应的探头浸入液体的深度为：3.5 cm，5.5 cm，7.0 cm，11.0 cm。随着探头浸入液体的深度不断增加，U形管的液面高度差不断增大。实验说明：当液体密度一定时，液体深度越深，液体压强越大。

3.1.2    探究液体压强与液体密度的关系

为探究液体压强与液体密度的关系，控制液体深度一定。将微小压强计探头与U形管相连接，探头分别浸入不同密度液体的同一深度，观察U形管两侧液面高度差的变化。如图6所示，U形管a，b，c分别对应的是探头浸入食用油、水、浓盐水，深度为7.0 cm处。随着探头浸入液体密度的不断增大，U形管的液面高度差也不断增大。实验说明：当液体深度一定时，液体密度越大，液体压强越大。

3.2    定量探究

3.2.1    操作步骤

（1）分别将食用油、水、浓盐水倒入方形容器，并控制液面在同一高度处。

（2）将数字压强测量装置用橡胶管与微小压强计的探头相连接。

（3）打开数字压强测量装置开关，并按动调零按钮。

（4）将连接好的微小压强计探头分别浸入食用油、水、浓盐水的3.5 cm，6.0 cm，8.5 cm，11.0 cm，13.5 cm深度处，观察数字压强测量装置的示数，并记录相应数据。

3.2.2    实验数据处理

实验中选用的食用油、水、浓盐水的密度如表1所示。方形容器中液面位置、探头浸入液体深度、探头位置如表2所示。实验记录的数字压强测量装置示数如表3所示。

为直观地通过数据分析液体密度与深度对液体压强的影响，将记录的数据导入Origin软件进行图像绘制。如图7所示，研究液体压强与液体深度的关系，以探头浸入液体的深度为横轴，数字压强测量装置的示数为纵轴，利用实验采集的数据绘制散点图，并通过Origin软件进行线性拟合。拟合结果报告中Pearsons r皮尔逊相关系数在0.999 97～1之间，说明液体压强与深度有极强的相关性；Adj R-Square校正决定系数在0.999 94～0.999 99之间，说明拟合结果较好。通过拟合图像，能够观察到当液体密度一定时，液体压强与深度成正比。

如图8所示，研究液体压强与液体密度的关系，以液体密度为横轴，数字压强测量装置的示数为纵轴，利用实验采集的数据绘制散点图，并通过Origin软件进行线性拟合。拟合结果报告中Pearsons r皮尔逊相关系数在0.998 81～0.999 90之间，说明液体压强与液体密度有极强的相关性；Adj R-Square校正决定系数在0.995 26～0.999 86之间，说明拟合结果较好。通过拟合图像，能够观察到当深度一定时，液体压强与液体密度成正比。

3.2.3    实验误差分析

实验误差的分析能够有效地判断本次实验的可靠性，同时能够检验基于STM8的数字压强测量装置的准确性。如表4所示，利用液体压强公式计算各实验组的液体压强理论值，借助相对误差计算公式计算各实验组的误差。

本次实验误差的主要来源有：（1）实验中使用的橡胶管在气压的作用下会发生膨胀，且实验装置绝非完全密闭，导致实验采集的液体压强数据小于理论值。（2）读取液面位置、探头位置等数值时，存在因读数而产生的误差。根据表4数据，计算得到本次的15组实验相对误差的平均值为1.631%，在实验误差允许的范围之内。因此，本次实验有效地利用基于STM8的数字压强测量装置定量探究了液体密度和深度对液体压强的影响。

4    结  语

本文利用STM8模块、高精度气压传感器HP303B和TM1620数码驱动显示模块设计了数字压强测量装置，并将其应用在探究影响液体压强的实验中。实验由观察微小压强计U形管的液面高度差的定性分析，到数字压强计测量液体压强数值变化的定量分析，探究了液體密度与深度对液体压强的影响。

基于STM8的数字传感技术与物理实验教学的结合有着重要的教学价值。一方面，弥补了实际教学中无法通过定量实验探究影响液体压强因素的欠缺，帮助学生经历完整的科学探究过程，对液体压强有更为深度的认识。另一方面，数字化传感器在实验教学中的应用，革新了物理教学方法，拓展了学生的学习视野，有利于培养学生应用信息技术解决物理问题的能力，强化学生学科核心素养的养成。

参考文献：

［1］廖伯琴.普通高中课程标准（2017年版2020年修订）教师指导·物理［M］.上海：上海教育出版社，2021：150-151.

［2］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.

［3］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.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012：18-19.

［4］刘海成，叶树江，郭强.STM8单片机原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2013：4.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2022-12-04

基金项目：青海师范大学自然科学中青年项目（18801030831）。

作者简介：焦政翰（1999-），男，硕士研究生，主要从事中学物理教学研究。

*通信作者：田建民（1990-），男，博士，硕士生导师，主要从事高校物理学科教学论的研究与教学工作。