前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的自制傳感器采集系統改進物理實驗淺析，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

物理課程資源的開發與利用包括多個方面，其中實驗器材開發是課程資源開發的重要組成部分。對于一些物理實驗，教師使用傳統實驗器材很難取得預期效果，可借助信息技術手段創造條件開展實驗，充分發揮學科育人功能。有條件的學?？膳鋫鋽底只瘜嶒瀮x器，增強實驗現象的可視化和實驗數據采集的實時化。對于大多數教師來講，自制器材也是不錯的選擇。自制傳感器采集系統在中學物理教學中有很好的應用前景，具有精度高、可視化強、造價低廉等優點。筆者基于51單片機自制傳感器采集系統，在課程資源開發方面做了一些探索。

一、基于51單片機自制傳感器采集系統

數字化信息系統（DIS）功能強大，被不少學校采用，但由于價格高昂、裝置復雜，短時間內難以在初中物理教學中普及應用。筆者自制的傳感器采集系統，基于51單片機開發，以數碼管（38.1mm）作為顯示元件，并配有聲、光、力、液壓、大氣壓、溫度等傳感器用于采集數據。此外，筆者將該裝置通過串口通信線連接電腦，應用自編的VB程序在電腦上完成數據采集及描圖工作。系統的電源由2節干電池組成。該系統具有造價低廉、操作簡單、效果明顯等優點，可以便捷而精準地采集原始數據，非常適合初中物理教學（如圖1）。筆者自制該系統用到如下材料：自行研發設計的單片機主板、stc89c52rc及stc12c5a60s2單片機芯片、串口模塊RS232轉TTL模塊、稱重傳感器1kg壓力傳感、雙通道24位模數轉換HX711AD、GY-68BMP180新款BOSCH溫度、US-015超聲波測距模塊、防水型DS18b20溫度探頭、E18-D80NK光電傳感器、數字光強度/光照傳感器BH1750FVI、數碼管（共陽）、USB轉串口線USB轉RS232USB轉COMUSB轉232340芯片、49S晶體晶振、5V升壓模塊等材料。教師應用該系統可開展多個項目的實驗教學：通過數碼管顯示方式可操作超聲波測距、超聲波測聲速、超聲波測身高、大氣壓測量、液壓測量、力的測量（驗證阿基米德原理實驗、飛機機翼升力測量）、電壓測量、光強度測量、單擺周期測量、跑步計時、小車斜坡下滑前后半段時間測量、數字溫度計等實驗；通過串口連接電腦可以完成力的相互作用、比熱容、超聲波測物體移動速度、不同液體的沸點對比等實驗。系統具有以下特點：一是造價低廉（整套成本在300元以內），適合在經濟欠發達的農村學校及山區學校推廣應用；二是可以選擇數碼管顯示方式操作，降低對計算機的依賴，數碼管可視度高，顯示效果極佳，能對傳統測量器材進行改良；三是具備連接電腦進行描圖的功能，可以采集數據；四是功耗極低，電源匹配方便（既可使用5V通用USB接口供電，又可以選擇兩節干電池結合升壓模塊供電）；五是不同傳感器可以通過小擴展板與主板進行切換連接，從電腦下載程序很方便；六是相對傳統數據采集系統，操作更簡單，非常適合教學。

二、應用自制傳感器采集系統實驗的兩種方式

（一）通過數碼管顯示方式實驗

1.紅外光電傳感器的應用實例。紅外光電傳感器既可用于單擺周期測量實驗，以即時顯示單擺每擺動一個周期所用的時間（如圖2），又可用于跑步計時測量，以精確測量學生穿越兩個紅外光電傳感器所需時間。物理教師開展實驗教學應重視學生參與探究和體驗的過程，但是一些實驗受場地和器材限制，難以在課堂上進行。百米賽跑是引入速度概念的絕佳例子，但在教室里無法實施，教材只用圖片和文字的方式闡述。教師利用紅外光電傳感器能幫學生解決短距離高精度計時問題（如圖3），讓學生真正參與其中，體驗探究過程。2.壓力傳感器的應用實例。自制的壓力傳感器系統是以hx71124位AD模塊作為數據采集器，并結合壓力傳感器（量程為10N）構建的一套數字測力裝置。傳統實驗室配備的彈簧測力計只能用于單向的測量（拉伸方向），而壓力傳感器可用于雙向測量（如圖4），其特殊性能是傳統彈簧測力計無法比擬的。在演示“壓力的作用效果”的實驗教學中，為了說明壓力的作用效果與受力面積有關，教師常利用水氣球和釘床進行演示，但學生無法利用彈簧測力計測量水氣球的受力數據。筆者利用壓力傳感器對該實驗進行改進：利用壓力傳感器對氣球產生一個下壓力，并測量其大小。受力面積較大時，壓力達9.33N，氣球還是完好無損。筆者在壓力傳感器上加上釘子，改變受力面積，再次下壓氣球，僅用0.21N的壓力，氣球馬上破裂（如圖5）。筆者還利用壓力傳感器測量精確度高（精確到0.01N）的特性對驗證阿基米德原理實驗進行改進。利用傳統彈簧測力計驗證阿基米德原理實驗往往存在較大誤差，甚至無法得出“物體所示浮力等于其排開液體所受的重力”這一結論。筆者利用壓力傳感器操作“驗證阿基米德原理實驗”時，恰好手頭上沒有合適的小水杯盛裝物體排開的水，故用輕質的空手套替代小水杯，順帶檢驗一下測力計的精確度。筆者將測力計調零，以大鉤碼作為被測物體進行測量，先測量空手套重力0.06N，后測量大鉤碼重力2.00N（如圖6）。筆者準備好盛滿水的溢水杯和空手套，使大鉤碼浸沒入水中，同時用空手套接住排開的水；發現測力計示數在1.74N與1.75N之間徘徊；取下鉤碼，測得手套和水重力為0.31N。2.00N-1.75N=0.31N-0.06N，結論得證。即使按1.74N算，誤差僅有0.01N。相較于傳統彈簧測力計，新器材優勢明顯。3.超聲波傳感器的應用實例。超聲波傳感器可用于測距，筆者指導學生對原有程序稍作修改，用于測量身高（如圖7）。4.大氣壓傳感器的應用實例大氣壓傳感器可用于測量室內大氣壓隨高度的變化情況。筆者采用的大氣壓傳感器是通過BOSCHBMP085氣壓模塊采集數據，其精度很高。筆者讓學生利用該大氣壓傳感器在課堂上做實驗，了解大氣壓隨海拔高度變化的特點。學生舉起大氣壓傳感器站在凳子上，然后將其貼近教室地面（如圖8），測得數據分別為1.105×105Pa和1.102×105Pa。大氣壓傳感器還可用于測量電梯隨樓層高度變化的大氣壓變化情況。5.液壓傳感器的應用實例一杯水能產生多大壓強？筆者利用液壓傳感器解答這個問題。如圖9所示，筆者準備一燒杯注入紅墨水（300mL），將液壓傳感器放入燒杯底部，測得液壓值為0.0055×105Pa，然后根據液壓公式P=ρgh，讓學生思考如何讓這杯紅墨水的壓強增大。學生通過實驗驗證他們的想法：將液壓傳感器固定在一根長約1.4m的有機玻璃空管底部，將這杯紅墨水灌入管中，當水快灌滿管子時，測得液壓值為0.1325×105Pa（如圖10）。該實驗能讓學生深刻認識液壓的特點。學生用測量數據推算紅墨水的深度，所得結果非常精準。

（二）通過串口連接電腦完成實驗

1.比熱容實驗。筆者將長度相同的兩段加熱絲（電阻值均為1.7Ω）接到電腦電源的12V電壓輸出線上（如圖11），保證兩者產生的熱量相同；用兩個18B20溫度傳感器對等質量的食用油和水進行溫度數據采集（如圖12）；利用串口數據線連接電腦生成圖像（如圖13）。2.超聲波測物體移動速度實驗。筆者在實驗中使用了超聲波傳感器和電動推桿。首先給電動推桿加上不同的電壓，使其以不同的速度做勻速直線運動，然后利用超聲波傳感器采集探頭到推桿白色擋板之間的距離數據，將串口數據線連接電腦，生成白色擋板移動的S-T圖（如圖14）。此外，師生通過串口連接電腦的方式還可以完成“力的相互作用”驗證性實驗。筆者基于51單片機自制傳感器采集系統開展實驗教學，利用其高精度特性，對部分傳統實驗進行改進和創新，用全新的方法操作教材上的實驗，實現傳統實驗器材無法實現的功能，對傳統實驗做了很好的補充和拓展，教學效果明顯提高。該系統小巧獨立，不依靠電腦顯示，操作簡便，得到用戶一致認可，具有推廣價值。

作者:謝立行 單位:廣東省廣州市廣園中學高級教師