基于ESP32与Phyphox的磁感应强度定量分析实验装置

王秋　毕皓天　付庭松　蔡武德

摘   要：物理概念教学是发展学生物理观念的重要环节，定量物理概念的建构离不开定量探究实验。以ESP32芯片、Phyphox软件为载体，设计制作了高精度磁感应强度定量分析实验装置，以期将信息技术融入物理概念教学，使磁感应强度概念的建构过程由定性向定量转变。

关键词：自制教具；磁感应强度；定量实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0062-4

１    设计背景

高中物理中电场强度、电容、磁感应强度等定量物理概念（物理量）是用数学方法来定义的［１］。教学中开展定量探究实验，有利于学生获得更加具象的体验，降低抽象物理概念的建构难度。

２０１９版人教版教材中“磁感应强度 磁通量”一节的演示实验，使用三块相同的蹄形磁铁提供匀强磁场，通过观察导线的摆角比较导线在磁场中的受力大小，进而总结得出磁感应强度的定义式：B=f/IL［２］。

然而，笔者在教学中发现：受限于单根导线的长度、导线中的电流大小等因素，实际实验中导线摆角较小，不易观察。其次，这一知识呈现形式从对导线摆角的定性观察得到磁感应强度、导线受力大小、电流大小与导线有效长度几个物理量间的定量关系，没有实验数据作支撑，不利于发展学生的学科核心素养。

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》指出：要重视学生科学探究能力的培养和信息技术的应用，发展学生物理学科核心素养，离不开信息技术与物理学习的融合［３］。基于此，笔者结合Ｐｈｙｐｈｏｘ软件，利用ＥＳＰ３２芯片、ＨＸ７１１压力传感器、ＰＣＢ技术，设计制作了“磁感应强度定量分析实验仪”。

２    设计原理

２．１    实验设计思路

要在本节内容的教学中开展磁感应强度的定量探究实验，必须精确测量出通电导线的电流大小、有效长度及其在磁场中的受力大小。沿着集成化、模块化、一体式精确测量的思路，笔者设计了“磁感应强度定量分析实验仪”的ＰＣＢ电路板（集成ＥＳＰ３２芯片、ADS１０１５模块、ＨＸ７１１压力传感器）用以测量导线的电流大小和受力大小。导线的有效长度由自制线圈的匝数乘以磁铁的宽度得出。通过蓝牙将采集到的数据从ＥＳＰ３２芯片发送至Ｐｈｙｐｈｏｘ软件进行分析与处理，实验整体设计思路如图１所示。

２．２    实验装置

装置实物如图２所示，器材包括多匝线圈１个、电阻箱１个、强磁铁４块、ＰＣＢ电路板１块（集成ＨＸ７１１、ＥＳＰ３２、ADS１０１５）、平板电脑１台（安装有Ｐｈｙｐｈｏｘ软件）、鳄鱼夹线若干、电池２块等。

２．３    实验装置构成

２．３．１    数据产生系统

（１）强磁体：96 mm×46 mm×9 ｍｍ（长、宽、高）强磁铁２块、46 mm×46 mm×9 ｍｍ（长、宽、高）强磁铁２块。

（２）自制线圈：用漆包线在ＰＶＣ材质骨架上绕制而成，分别为５０匝、８０匝、１２０匝、１６０匝，由不同的接线口接入电路。

（３）电阻箱：Ｊ２３６１型，阻值可调范围为０～９９９９．９ Ω，最小步进值为０．１ Ω。

２．３．２    数据采集系统

（１）ＨＸ７１１压力传感器：一款专为高精度称重传感器而设计的２４位Ａ/Ｄ转换器芯片，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。测量原理为线圈与磁铁之间的力是一对相互作用力。传感器清零后将导线接通电流，置于磁铁下方的压力传感器便可测量出导线在磁场中受力的大小，如图３所示。

（２）ADS１０１５ＡＤＣ模块：一款具有１２位分辨率的精密模数转换器。采用其差分电压测量模式，在Ａ０、Ａ１端并联一个阻值为１ Ω的电阻。实验中测量该电阻两端的电压，利用欧姆定律即可计算出电路中的电流大小。

（３）ＥＳＰ３２芯片：集成了ＷＩＦＩ、蓝牙的芯片，安全可靠，价格低廉。将ＨＸ７１１压力传感器、ADS１０１５与ＥＳＰ３２连接，便能通过蓝牙将力与电流的数据发送至平板电脑的Ｐｈｙｐｈｏｘ软件中。

２．３．３    数据显示及处理系统

Ｐｈｙｐｈｏｘ软件：由德国亚琛工业大学第二物理研究所（ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）开发的一款免费ＡＰＰ。不仅能调用智能设备中的各种传感器，还能通过蓝牙外接各类传感器，为物理创新教具的制作提供极大便利［４］。使用Ｍｉｘｌｙ软件给ＥＳＰ３２写入“力电传感器”程序，测得的数据便可以通过蓝牙发送至Ｐｈｙｐｈｏｘ软件，最后进行分析与处理。“力电传感器”程序如图４所示。

３    实验过程及数据处理

３．１    探究通电导线在磁场中的受力大小Ｆ与电流大小Ｉ的定量关系

３．１．１    实验步骤

（１）接入１２０匝的线圈。

（２）按下ＰＣＢ电路板上ＥＳＰ３２的供电开关ＫＥＹ１，打开Ｐｈｙｐｈｏｘ软件，进入实验界面，选择名为“力电传感器”的蓝牙设备，点击开始按钮。

（３）按下ＥＳＰ３２上的“清零键”、供电开关ＫＥＹ２。重复记录10次力与电流，并取平均值记录。调节电阻箱的旋钮，依次改变电流的大小，将数据点记录至Ｆ－Ｉ图像中。

（４）对数据点进行线性拟合，或导入Ｅｘｃｅｌ表格处理。

３．１．２    实验数据

电流与导线的受力数据记录如表1所示。

３．１．３    实验结论

通电导线与磁场方向垂直，控制导线的有效长度Ｌ不变，导线在磁场中的受力Ｆ与电流大小Ｉ成正比，即F∝I，如图５、图６所示。

３．２    探究通电导线在磁场中的受力大小Ｆ与导线的有效长度Ｌ的定量关系

３．２．１    实验步骤

（１）接入５０匝的线圈。

（２）按下ＰＣＢ电路板上ＥＳＰ３２的供电开关ＫＥＹ１，打开Ｐｈｙｐｈｏｘ软件，进入实验界面，选择名为“力电传感器”的蓝牙设备，点击开始按钮。

（３）按下ＥＳＰ３２单片机上的“清零键”、供电开关ＫＥＹ２，调节电流为定值（例如０．１５０ Ａ）。重复记录10次力的数值，将其平均值与导线的有效长度（线圈匝数N乘以磁场宽度０．０４６ ｍ）记录至Ｆ－Ｌ图像中。

（４）断开线圈供电开关ＫＥＹ２，更换线圈接口，接入８０匝、１２０匝、１６０匝的线圈，并重复以上实验步骤。

（５）对数据点进行线性拟合，或导入Ｅｘｃｅｌ表格处理。

３．２．２    实验数据

导线处于磁场中的长度与导线的受力数据记录如表2所示。

３．２．３    实验结论

通电导线与磁场方向垂直，控制导线中的电流Ｉ不变，导线在磁场中的受力Ｆ与导线的有效长度Ｌ成正比，即F∝L，如图７、图８所示。

３．３    探究通电导线在不同磁场中的受力大小F与IL的比值是否相同

分别增加０块、１块、２块强磁铁，按照实验１的步骤进行实验，比较3次实验的Ｆ与ＩＬ的比值是否相同。

３．３．１    实验步骤

（１）重复实验１的步骤。

（２）将数据导入Ｅｘｃｅｌ表格，计算出ＩＬ的值，作Ｆ－ＩＬ图像并拟合。

（３）增加１块强磁铁、２块强磁铁，重复以上实验步骤，比较3次实验中Ｆ与ＩＬ的比值是否相同。

３．３．２    实验数据

电流与导线有效长度的乘积和导线的受力数据记录如表3所示。

３．３．３    实验结论

改变磁场强弱，Ｆ与ＩＬ的比值不同。比值大小与Ｉ、Ｌ无关，只与磁场本身有关，磁场越强比值越大，即可以用B=f/IL来描述磁场强弱，如图９所示。

４    实验创新总结

（１）自制多匝线圈。解决了单根导线在磁场中受力较小、不便观察与记录的难题。采用累积法，由导线的匝数乘以磁场的宽度得到导线的有效长度，改变匝数即可改变有效长度，实验参数变化明显。

（２）高精度压力传感器ＨＸ７１１。利用相互作用力等大、反向的原理测量导线在磁场中的受力大小，设计思路巧妙、数据采集速度快、测量精度高。实现了定性探究向定量探究的跨越。

（３）ＰＣＢ电路板。将数据采集模块集成在１０ cm×１０ ｃｍ的自制ＰＣＢ板上，既方便携带与操作，同时也解决了使用面包板实验时ＥＳＰ３２芯片工作不稳定的问题。

参考文献：

［１］冯杰．物理概念教学与物理规律教学之差异性探讨［Ｊ］．物理教师，２０２０，４１（１）：1－7．

［２］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．普通高中教科书物理必修第三册［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９：１０９－１１０．

［３］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：５３－５４．

［４］陈剑峰．基于ＥＳＰ３２与Ｐｈｙｐｈｏｘ的多功能振动实验装置的设计与实验［Ｊ］．物理教师，２０２２，４３（８）：４９－５１．

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2024-03-22

基金项目：云南省2020年产学合作协同育人项目“师范院校通信工程专业新工科人才培养模式研究”（202002281001）。

作者简介：王秋（1999-），女，硕士研究生，主要从事学科教学（物理）研究。

*通信作者：蔡武德（1966－），男，教授，硕士生导师，研究方向为课程与教学论。