基于Phyphox構(gòu)建物理創(chuàng)新實驗平臺

詹善生?梅曉璇?湯金波

近年來，對中學(xué)物理電學(xué)實驗設(shè)計、操作、數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查，經(jīng)常見諸高考物理試卷。電學(xué)實驗靈活多變，命題者設(shè)計實驗多是圍繞伏安法進行的。如果教師對傳統(tǒng)電壓表和電流表進行數(shù)字化改造，那么很多傳統(tǒng)電學(xué)實驗教學(xué)的提質(zhì)增效、創(chuàng)新電學(xué)實驗的孕育生發(fā)將水到渠成、事半功倍。筆者用ESP32通用芯片及ADS1115高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采集傳感器原始數(shù)據(jù)，以phyphox為數(shù)據(jù)顯示終端，搭建了以伏安法為核心測量方案的中學(xué)物理創(chuàng)新實驗平臺。該平臺具有移動性強、參與性好、性價比高等特性，有成為中學(xué)師生電學(xué)創(chuàng)新實驗通用設(shè)備的潛力。

一、Phyphox物理創(chuàng)新實驗平臺簡介

Phyphox是一款手機應(yīng)用軟件，它能很好地提取智能手機內(nèi)置的MEMS傳感器采集到的數(shù)據(jù)。師生利用智能手機和Phyphox做實驗，可極大地拓展學(xué)生的實驗操作空間。但該軟件在物理教學(xué)、研究、應(yīng)用方面也存在不足：缺少與傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的有效整合策略，教學(xué)價值有待進一步挖掘；缺少自定義創(chuàng)新實驗的系統(tǒng)開發(fā)，受Arduino編程技術(shù)門檻限制，進展緩慢；實驗結(jié)果精度不一，受手機自身傳感器靈敏性影響較大[1]。筆者設(shè)計Phyphox物理創(chuàng)新實驗平臺（以下簡稱平臺）的目的之一就是契合傳統(tǒng)實驗教學(xué)目標(biāo)，突破傳統(tǒng)實驗技術(shù)瓶頸。另外，筆者以伏安法為思維路徑整體設(shè)計平臺，使自定義實驗開發(fā)具有系統(tǒng)性，為相關(guān)系列實驗的設(shè)計提供支撐。平臺借助通用芯片ESP32和高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADS1115的強大技術(shù)功能，突破了手機自身傳感器靈敏度限制，同時以藍牙傳輸，將實驗數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)的顯示和處理終端分開，極大地提高了實驗時的移動自由度和手機安全性。

（一）平臺的硬件構(gòu)成（材料準備）

平臺由兩塊ESP32、兩塊ADS1115、5 V鋰電池供電模塊（內(nèi)置升壓板）、安卓一母二公數(shù)據(jù)線、面包板、杜邦線構(gòu)成（如圖1）。

（二）平臺的環(huán)境搭建與實驗操作

平臺環(huán)境搭建與實驗操作基本步驟如下。

第一步：將ESP32與電腦連接，在電腦Arduino IDE（可以在Arduino官網(wǎng)下載到電腦安裝）中配置好環(huán)境和程序并點擊上傳燒錄（掃碼獲取代碼和詳細操作方法）。

第二步：用Phyphox掃描二維碼，添加本文案例中涉及的自定義實驗。

第三步：將ADS1115和ESP32連接起來（如圖2）。A0為電表正極，A1為電表負極，電表默認為量程±3 V，精度為1 μV的高精度電壓表。操作者在引腳間并入已知定值電阻并進行換算即可改造出電流表。

第四步：將ADS1115的A0（＋）和A1（－）接入（包含各種傳感器的）外電路，用安卓數(shù)據(jù)電源線給ESP32通電，啟動phyphox自定義實驗項目，開始接收實驗數(shù)據(jù)。

第五步：在Phyphox中對實驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，或者導(dǎo)出到電腦端進行分析，得出實驗結(jié)論，開展誤差評估，優(yōu)化實驗設(shè)計。

（三）平臺的應(yīng)用優(yōu)勢

平臺具有如下優(yōu)勢：其一，由于加入了ADS1115，數(shù)據(jù)精度得到極大提高，完全能夠滿足中學(xué)物理實驗的需要；其二，借助ADS1115，可以方便地測量負電壓、負電流，直接采集低頻的交流信號；其三，數(shù)據(jù)實時采集和顯示，效能與專業(yè)傳感器實驗平臺相當(dāng)，但成本低廉，可以極大降低各類學(xué)校部署平臺的資金壓力；其四，實驗項目還可以上傳到Phyphox官網(wǎng)上進行在線二次編輯，具有極大的靈活性，能滿足師生后續(xù)高階創(chuàng)新實驗需求。

簡言之，平臺的競爭力體現(xiàn)在低成本地搭建了高質(zhì)量的以智能手機為移動顯示終端的可二次設(shè)置的交直流電壓表和電流表，凡是基于伏安法設(shè)計的實驗都可以借此完成，具有很好的擴展性。

二、基于平臺的創(chuàng)新實驗示例

（一）測量地磁場

在實驗室內(nèi)，地磁場是非常好的勻強磁場。根據(jù)交流發(fā)電機模型可知，如果線圈在地磁場中勻速旋轉(zhuǎn)，就會產(chǎn)生較為標(biāo)準的正弦式交流電。師生通過平臺測量出感應(yīng)電動勢，進而測得當(dāng)?shù)氐卮艌龃鸥袘?yīng)強度（如圖3）。

實測發(fā)現(xiàn)，師生用上述方法測量出的結(jié)果非常符合直接用手機內(nèi)置的磁力計測量的結(jié)果（如圖4），相對誤差穩(wěn)定控制在2%以內(nèi)。為了方便操作，筆者僅用一個ESP32和一個ADS1115（圖1中的一半器材，電源用更小的鋰電芯）構(gòu)建系統(tǒng)，使得平臺體積縮小，置于數(shù)據(jù)處理盒中（線圈的兩個線頭從中空轉(zhuǎn)軸穿過與平臺的A0、A1引腳連接）。

實驗證實平臺采集數(shù)據(jù)測量電壓的精度很高，對于微特斯拉級（μT）的弱電磁場也能準確測量。平臺的數(shù)據(jù)采集功能得到成功應(yīng)用。

（二）探究楞次定律

使用實驗器材（如靈敏電流計）觀測感應(yīng)電流有諸多不便，如指針晃動不便于學(xué)生觀察，磁電式儀表指針和線圈體慣性及電磁阻尼都會影響最終實驗結(jié)果的呈現(xiàn)。筆者利用平臺很好地解決了? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 上述問題，直接連續(xù)測量感應(yīng)電壓或者測感應(yīng)電流（當(dāng)作電流表使用時引腳并聯(lián)定值電阻），并用圖表呈現(xiàn)在手機端。平臺之外的實驗裝置和某次實驗結(jié)果如圖5所示。

系統(tǒng)生成了磁鐵從線圈上方穿入和穿出過程感應(yīng)電動勢隨時間變化數(shù)據(jù)圖表。教師利用此裝置可以讓學(xué)生方便地觀察磁極反轉(zhuǎn)、磁鐵運動、線圈運動、線圈匝數(shù)對感應(yīng)電動勢的影響。借助投屏，課堂上學(xué)生快速采集實時數(shù)據(jù)、清晰從容地觀察數(shù)據(jù)，其效果是傳統(tǒng)實驗器材無法達到的。需要指出的是，ADS1115的A0、A1引腳間電阻高達數(shù)百兆歐姆，電壓表性能非常理想。引腳間不并聯(lián)定值電阻時測出的值可以直接視為感應(yīng)電動勢的數(shù)值。

（三）探究電容器充放電規(guī)律

筆者將ADS1115的A0、A1引腳并聯(lián)一個定值電阻R，用測得的電壓除以R的阻值，得到電路中的電流。這樣，一臺精密的電流表就制作完成。學(xué)生用它來探究電容器的充放電規(guī)律，效果極佳。實驗器材連接及實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

上述案例中，學(xué)生使用平臺的測量電流功能，成功捕捉到電容器充放電電流的規(guī)律。教師還可以指引學(xué)生參與拓展活動，例如探究電路電阻、電容是如何影響充放電進程的。

（四）測量電源電動勢和內(nèi)阻

師生單獨使用電壓表功能或電流表功能，平臺性能優(yōu)越，表現(xiàn)良好。如果要同時測量兩個電學(xué)量，可通過雙藍牙采集數(shù)據(jù)進行實驗，即讓兩套ESP32獨立運行，收集的數(shù)據(jù)再經(jīng)Phyphox匯總，實現(xiàn)多路傳感器信息的融合。這樣就可以極大地增強實驗平臺的擴展能力。下面以中學(xué)物理電學(xué)中的核心實驗——測量電源電動勢和內(nèi)阻為例，來檢驗平臺的性能。實驗裝置與實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

筆者對伏安特性曲線進行線性擬合（如圖8），得到函數(shù)關(guān)系I=-0.071U+0.109，改寫成U=1.535-14.08I。等效電源電動勢和內(nèi)阻的測量值分別為1.535 V和14.08 Ω，電動勢與多用電表直測值吻合（因為電池盒上串聯(lián)了一段13 Ω的電阻絲，故電壓表接口到電源兩端的杜邦線電阻以及電池本身內(nèi)阻之和應(yīng)在1.08 Ω左右）。從電動勢的結(jié)果看，相對誤差在1.4%以內(nèi)，這表明，平臺在融合傳感器數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)依然出色。

教師開展測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗教學(xué)，如果用傳統(tǒng)實驗器材，不僅操作煩瑣、讀數(shù)時人為因素多，而且電路通電時間長，會導(dǎo)致電源內(nèi)阻以及電路電阻因為溫度等因素改變引起數(shù)據(jù)漂移（水果電池更是如此），影響測量精度。筆者借助平臺來操作此實驗，數(shù)據(jù)采集過程只需十秒鐘左右即可全部完成（電阻絲上滑動觸頭從一端移動到另一端的時間），克服了上述困難。本案例證明平臺在同時輸入兩路獨立的電壓、電流信號時，性能良好且穩(wěn)定。

三、總結(jié)

綜上，Phyphox中學(xué)物理創(chuàng)新實驗平臺具有優(yōu)良的性能和數(shù)據(jù)融合處理能力。理論上，一切基于電壓和電流測量的實驗都可以在平臺上進行，當(dāng)然包括伏安法思維指引下的所有實驗。有了這個平臺，學(xué)生可以從機械地采集與處理數(shù)據(jù)的工作中解放出來，專注于實驗設(shè)計的創(chuàng)新與數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新，使思維品質(zhì)得到更有效的鍛煉。平臺在外接不同傳感器時向?qū)W生呈現(xiàn)的就是一種實物化的物理學(xué)認識路徑。

此創(chuàng)新實驗平臺完全可以成為中學(xué)物理學(xué)生自主創(chuàng)新實驗的孵化器，成為所有人的探索和創(chuàng)新的技術(shù)工具。在這種低成本高精度不限時間、不限空間的隨身“移動傳感器實驗室”支持下，師生可將實驗創(chuàng)意隨時隨地轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實操作和測量，提高實驗效率。

注：本文系北京物理學(xué)會2022—2023年度教育科研立項課題“基于Phyphox移動實驗的物理學(xué)認識方式的研究”（課題批準號：WLXH222007）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 張綺夢，李德安.國內(nèi)外Phyphox應(yīng)用于物理教學(xué)的研究與展望[J].物理通報，2022（7）：153-159.

（作者詹善生系安徽省池州市第一中學(xué)教師；梅曉璇系北京市和平街第一中學(xué)教師；湯金波系江蘇省南京師大附中樹人學(xué)校特級教師）

責(zé)任編輯：祝元志