利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台改进沸点与气压的相关实验

摘 要：数据处理与分析对于物理实验解释、论证起到关键作用。为弥补沸点与气压的相关实验在数据处理与分析上的不足，将Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台应用到实验中，实现数据采集的实时化与精准化；在获得详实数据的基础上，提出从数据分析的角度出发，结合“沸点”定义，判断不同大气压强下水的沸点，科学论证沸点与气压之间的关系。为通过实验促成学生形成物理观念，提高科学论证能力作出尝试。

关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ；实验改进；沸点与气压；数据处理与分析

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）8-0061-5

《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》在课程实施部分提出“加强实验室课程资源的开发与利用”，有条件的学校可配备数字化实验仪器，增强实验现象的可视化以及实验数据采集的实时化［１］。２０２２年教育部颁布的教育行业标准《教师数字素养》指出，教师应适当利用数字技术加工、创作、使用、管理和评价数字信息资源，发现、分析和解决教育教学问题［２］。这些均说明目前的实验教学更加强调师生的数字化素养，更加重视对实验数据的分析与处理。

而传统的物理实验教学缺乏实时化、精准化数据的支持，大多数维持在现象观察的水平，导致收集数据、处理分析数据、运用数据进行论证等环节严重缺失［３］。随着现代技术的不断进步，越来越多的新兴技术被引入到物理教育中以提升教学品质。其中，利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台改进传统实验是其典型代表，该平台不仅实现了实验数据采集的实时化与精准化，同时也能兼顾数据的处理与分析，为培养学生处理与分析数据的能力提供更为优越的教学手段。

本文以人教版八年级上册“沸点与气压”相关实验的改进为例，阐述如何利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台开发传感器，设计新的实验装置，形成新的实验方案，弥补原有传统实验的不足。

１ 原有传统实验的不足

１．１ “探究水沸腾时温度变化的特点”实验

人教版初中物理教材中“探究水沸腾时温度变化的特点”实验，如图１所示，用酒精灯给水加热至沸腾。当水温接近９０ ℃时每隔３０秒记录一次温度。仿照绘制晶体熔化图像的做法，在网格纸上绘制出水沸腾时温度与时间关系的图像［４］。

该实验设计存在以下几点不足：

（１）为了满足实验教学的明确与直观要求，需要学生观察水中气泡在沸腾前后的变化。但是，使用烧杯进行实验，气泡较小且变化过快，致使实验现象难以达到长足的直观效果。

（２）查询笔者所在地区的大气压强为１０３．２ kPａ，沸点应高于１００ ℃。在实验过程中发现，加白纸片可以使水的温度达到１００ ℃，但是这里用来隔热的白纸片可以理解为一个简易的气阀，将大量的水蒸气限制在烧杯内从而影响了内部气压的大小。那么，此时水的沸点还是当地大气压环境下的沸点吗？如果不加白纸片，水温则很难达到１００ ℃，且考虑到水质的原因，后续用纯净水实验也未达到１００ ℃。这与书本后续内容“水的沸点在标准大气压下为１００ ℃”相悖。如果学生问起这一反常现象，教师给学生解释也存在一定的困难。

１．２ “探究水的沸点与气压的关系”实验

教材中为研究水的沸点与气压之间的关系，将水加热至沸腾后，移开酒精灯，把烧瓶倒置；待水温降低沸腾则停止，当冷水浇到烧瓶上时，瓶内气压降低。此时，水在９０ ℃左右就能沸腾，于是又能在烧瓶中看到水在沸腾。学生通过观察现象得出“气压较低时，水可以在较低温度时沸腾，即水的沸点降低”；进一步分析得出结论“水的沸点与气压有关，气压减小时沸点降低，气压增大时沸点升高”［５］。

该实验存在以下几点不足：

（１）虽然该演示实验效果较好，但是初中学生在理解温度与密闭气体压强之间的关系上存在困难。另外，用冷水浇到热烧瓶上具有一定的安全隐患。

（２）该实验无法实时获得瓶内压强和温度的数值大小，仅仅是通过观察气泡的变化情况确定沸腾状态。学生不能观察到该“沸腾”状态是否为“温度不变，且持续吸热”。

（３）该实验演示的现象仅仅是“气压降低时沸点降低”，是一个不完整的实验。对于学生而言，想要探究出完整的结论“水的沸点与气压有关，气压减小时沸点降低，气压增大时沸点升高”，就需要经历一个完整的探究实验过程。

２ Ａｒｄｕｉｎｏ简介

Ａｒｄｕｉｎｏ是一款具有简单软件与硬件的开源平台。即使作为初学者，也可以在较短时间内使用它。Ａｒｄｕｉｎｏ提供了用于代码编译的集成开发环境（Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ）以及多个模块化编程环境［６］。该平台可以通过烧录代码至单片机后，连接传感器实现与环境的交互，传感器接收温度、湿度、光强度等物理信息，内部半导体的物质变化而引起电信号的变化；单片机读取传感器输出的相关电信号，通过相关的换算公式，就可以在Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ的串口监视器中实时读取相关的物理数据，从而实现对数据的处理与分析［７］。Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台作为一个成本小、门槛低、操作简捷以及功能强大的开源平台，在改进传统实验方面有着广泛的应用。

本研究使用单片机Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０（图２）和软件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１（图３）作为开发工具，对“沸点与气压”相关实验进行优化改进。

３ 实验的改进

３．１ “探究水沸腾前后温度变化的特点”实验方案

３．１．１ 实验器材

针对传统实验存在的不足，在器材方面作出如下改进：利用Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０、ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器、ＫＰ１０１压强传感器、加热底座、三孔烧瓶、橡胶塞等器材组装实验装置，如图４所示。

（１）利用软件Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ ２．２．１对两个传感器读取程序进行编程，并且烧录到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０单片机中，可以从串口监视器中观察单片机是否开始正常工作。

（２）在橡胶塞上钻出一定大小的孔，用于放置温度传感器，以及便于气压传感器通过导气管采集数据；将橡胶塞放到三孔烧瓶的入口中，确认温度传感器置于烧瓶的中央位置后，启动程序检查运行状况，在采集数据正常之后用玻璃胶密封。

３．１．２ 实验改进的优点

（１）该装置用电炉代替酒精灯能够使水快速升温，从而节省宝贵的课堂时间。

（２）三孔烧瓶的瓶身相当于一个凸透镜，起到放大的作用，使实验现象更加明显、直观。

（３）该装置使用传感器监测实验数据，不仅能保证实验数据的实时性与可靠性，更能满足实验数据的丰富性。

（４）该装置在测量温度的同时，也能测量当前环境的大气压强；直观地展示在当前大气压强环境下水的沸点，不仅与知识点“标准大气压下水的沸点是１００ ℃”相契合，也为进一步深入探究沸点与大气压强之间的关系奠定基础。

３．１．３ 实验步骤及结论

（１）往三孔烧瓶中加水，使温度传感器能够浸没在水中。

（２）将ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器和ＫP１０１气压传感器与Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０单片机以及电脑连接。检查程序是否正常运行，数据是否正常传输。

（３）将三孔烧瓶放置在电炉上加热直至水沸腾，通过串口监视器每隔１０秒监测水温变化和气压变化。演示实验过程中，提醒学生注意温度变化的同时，还需要观察实验现象的特点。

（４）实验数据分析及结论

实验数据如表１所示。

将记录的数据绘制在图中，如图５所示。

实验结论：

通过对现象的观察与实验数据的分析，可以得出如下结论：水在沸腾前气泡由大变小，在沸腾时气泡由小变大；在沸腾时，水的温度不变，且持续吸热；在高于标准大气压的环境下，水的沸点也高于１００ ℃。

３．２ “探究水的沸点与气压的关系”实验方案

３．２．１ 实验器材

在“探究水沸腾前后温度变化的特点”实验改进的基础上，加入止水阀与注射器，改进后的实验装置如图６所示。

（１）将程序代码烧录到Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０单片机中，监测是否正常运行。

（２）将止水阀放到三孔烧瓶的入口中，并连接注射器检查实验装置的气密性。

３．２．２ 实验改进的优点

（１）该装置提高了实验本身的安全性。

（２）该装置可以通过传感器实时传输实验数据，为后续的数据分析提供了丰富的数据基础；学生可以通过实时数据分析，根据“在某一段气压环境不变的时间内，温度不变且持续吸热”，得出某气压环境下水的沸点为某值，保证了实验探究的科学性。

（３）该装置既可以关闭止水阀，探究高于标准大气压时水的沸点与大气压强之间的关系；又可以打开止水阀，利用注射器抽气，探究低于标准大气压时水的沸点与大气压强之间的关系［８］；从而保证实验探究的完整性。

３．２．３ 实验步骤

（１）往三孔烧瓶中加水，使温度传感器能够浸没在水中。

（２）将ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器、ＫP１０１气压传感器、止水阀、注射器与Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０单片机以及电脑连接，检查程序是否正常运行，数据是否正常传输。

（３）关闭止水阀，将三孔烧瓶放置在电炉上加热直至温度达到１０３ ℃，通过串口监视器每隔１秒监测水温变化和气压变化。

（４）打开止水阀，待三孔烧瓶中水温降到９０ ℃时，将止水阀气孔通过导气管与注射器相连；缓慢拉动注射器抽出烧瓶内部气体，观察烧瓶内部现象。

（５）关闭止水阀，开始加热，通过串口监视器每隔１秒监测水温变化和气压变化。

３．２．４ 实验数据分析及结论

为得到水的沸点与大气压强之间的关系，从串口监视器获得实验数据之后，还需要对数据进行分析处理。根据沸点定义“在某一段气压环境不变的时间内，温度不变且持续吸热”，从而得出某气压环境下水的沸点为某值。串口监视器数据如表２所示。

从表中数据分析可知，在４３秒至４５秒这段时间内，大气压强为８８ kPａ，温度每秒升高０．０６ ℃；在４７秒至４９秒这段时间内，大气压强为８９ kPａ，温度保持９３．６９ ℃不变，且在此过程中持续吸热。由此认为在气压为８９ kPａ时，水的沸点为９３．６９ ℃。

重复上述方法，采集多组数据。得到水的沸点与大气压强之间的关系，如表３所示。

实验结论：

通过对现象的观察与实验数据的分析，可以得出结论：“水的沸点与气压有关，气压减小时沸点降低，气压增大时沸点升高”。

４ 结束语

本文将中学物理实验与现代技术相结合，利用Ａｒｄｕｉｎｏ开源平台开发传感器，对“沸点与气压”相关实验优化改进，展现出一种新型的实验方式。不仅弥补了传统实验装置的部分不足，还展示了数字化实验的优势所在，拓宽利用数字化实验解决教育教学难题的思路，深化数字素养的内涵；此外，在物理实验教学中，教师应引导学生基于数据处理与分析进行科学解释与论证，促进学生科学思维和科学探究能力的发展。

参考文献：

［１］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．

［２］中华人民共和国教育部．教育部关于发布《教师数字素养》教育行业标准的通知［ＥＢ／ＯＬ］.（２０２３－０２－２１）． ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｃｎ／ｚｈｅｎｇｃｅ／ｚｈｅｎｇｃｅｋｕ／２０２３－０２／２１／ｃｏｎｔｅｎｔ

＿５７４２４２２．ｈｔｍ．

［３］易红郡，姜远谋．实验教学４０年：回顾与展望［Ｊ］． 课程·教材·教法，２０１８，３８（６）：１４－２０．

［４］张如作．“探究水沸腾时温度变化的特点”的改进与思考［Ｊ］．中学物理，２０２０，３８（２４）：５３－５４．

［５］韦毅聪．“气体压强对液体沸点的影响”实验的改进［Ｊ］． 物理教学，２０１７，３９（１１）：４４－４５．

［６］ＧONCALVES Ｂ Ａ，ＦREITAS Ｓ Ｐ Ｗ，ＲEIS Ｄ Ｄ，ｅｔ ａｌ． Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ Ａｒｄｕｉｎｏ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｅａｃｈｅｒ，２０１９，５７（９）：６４０－６４１．

［７］ＯＲＧＡＮＴＩＮＩ Ｇ．Ａｒｄｕｉｎｏ ａｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ，２０１８，１０７６（１）：０１２０２６－０１２０２６．

［８］陈剑峰． 利用ＤＩＳＬａｂ传感器探究水的沸点与大气压强的关系［Ｊ］． 物理实验，２０１６，３６（７）：４５－４６．

（栏目编辑 刘 荣）