用溫度傳感器研究物態(tài)變化

1、用溫度傳感器研究物態(tài)變化常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器在進(jìn)行物理試驗(yàn)時(shí)，在易用性、精度、數(shù)據(jù)記錄分析等方面還存在很多不足。例如， “研究固體熔化時(shí)溫度的變化規(guī)律”這個(gè)物理實(shí)驗(yàn)需要每隔 1 分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，讀取溫度時(shí)普通溫度計(jì)也會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)誤差，而這些通過(guò)Arduino 和溫度傳感器能夠很容易解決。測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel 這種常用的數(shù)據(jù)處理軟件中會(huì)很容易做出相關(guān)圖表。在長(zhǎng)期的摸索中，我們體會(huì)到在教學(xué)中使用結(jié)合傳感器的簡(jiǎn)單的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：測(cè)量數(shù)據(jù)方便，準(zhǔn)確性高；記錄數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；如果設(shè)計(jì)相應(yīng)的反饋控制會(huì)很容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這種自己設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以融合多學(xué)科知識(shí)，幫助學(xué)生充分體驗(yàn)知識(shí)的價(jià)值

2、、技術(shù)的應(yīng)用，而不是單純的紙面上的文字。下面我們將通過(guò)溫度傳感器來(lái)研究物態(tài)變化時(shí)溫度的變化，并簡(jiǎn)單介紹一下整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程。了解溫度傳感器連接正確是保證溫度傳感器正常工作的第一步，特別是對(duì)像 LM35 這樣的三根連接線的傳感器，首先要正確連接好電源線和地線，然后連接信號(hào)輸出線，連線示意圖如圖 1 所示。Arduino板A0A5六個(gè)模擬腳功能類似于一個(gè)電壓表，這里我們把溫度傳感器接在 A0 引腳，溫度傳感器把外界溫 度變化， 轉(zhuǎn)化為 A0 端口電壓變化， 被 Arduino 板讀取， 并在Scratch 程序中顯示出來(lái)。實(shí)際連線圖可以根據(jù)溫度傳感器使用環(huán)境連接 （如圖 2） ，本例中我們用到的

3、連接線較短，可以用兩頭針的杜邦線連接，如果需要的連接線較長(zhǎng)（如在室內(nèi)測(cè)量室外溫度變化）可以用自制“繞線器”連接溫度傳感器和 Arduino 板，當(dāng)然也可以焊接。 Scratch 程序搭建搭建程序的作用可以從測(cè)量、記錄、控制三個(gè)方面進(jìn)行嘗試。測(cè)量就是通過(guò)傳感器來(lái)獲得需要的數(shù)值，如通過(guò)溫度傳感器測(cè)量獲取所需要的溫度數(shù)值。記錄就是用電腦程序代替人工記錄數(shù)據(jù)，通過(guò)程序的方式記錄可以把人解脫出來(lái)，并且更容易對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如此次實(shí)驗(yàn)我們會(huì)把數(shù)據(jù)導(dǎo)入以前曾學(xué)過(guò)的電子表格，對(duì)其進(jìn)行分析。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是通過(guò)程序做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，如在太陽(yáng)底下如果感覺(jué)到熱了，我們會(huì)走到陰涼的地方， “走”就是人腦對(duì)“腿”做出的控制。

4、測(cè)量溫度：要通過(guò)程序設(shè)計(jì)把A0 端口電壓轉(zhuǎn)換為溫度值;為了便于顯示溫度值和后期程序設(shè)計(jì)，我們需要建一個(gè)“溫度” 變量;為了讀取一個(gè)比較穩(wěn)定的值，需要等待一段時(shí)間測(cè)量一次溫度值。圖 3 是間隔 1 秒測(cè)量一次溫度。選中“數(shù)據(jù)和指令”模塊新建變量“溫度” ，按圖 3 搭建好程序，圖中的是將A0 端口電壓變化轉(zhuǎn)化為攝氏溫度的變化， “重復(fù)執(zhí)行”和“等待1 秒”是實(shí)現(xiàn)每隔 1 秒測(cè)量一次溫度，并將溫度值賦值給變量“溫度” 。運(yùn)行程序后，如果用手指捏住溫度傳感器，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)變量“溫度”值開(kāi)始變化。圖 3 的程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)溫度的測(cè)量，但是還不能記錄測(cè)量的溫度。在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們還需要把測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)

5、。選中 “數(shù)據(jù)和指令”模塊新建鏈表 “記錄溫度鏈表” ，按照?qǐng)D 4 搭建程序，把測(cè)量的溫度記錄到鏈表中。改進(jìn)項(xiàng)目 1：用 LM35 研究冰融化時(shí)對(duì)環(huán)境溫度影響。我們可以利用這個(gè)程序完成一個(gè)測(cè)量冰融化時(shí)周圍環(huán)境溫度變化的小實(shí)驗(yàn)。圖5 是連接好的實(shí)驗(yàn)裝置。將程序中測(cè)量溫度的時(shí)間間隔設(shè)為10 秒。用雙層保溫玻璃杯是為了控制環(huán)境溫度變量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，使得保溫杯內(nèi)保持一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境。因?yàn)?LM35 不防水，所以用帶包裝的冰棍做實(shí)驗(yàn)對(duì)象。啟動(dòng)程序后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（如 300 秒） ，在采集到足夠數(shù)據(jù)后利用 Scratch 提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能， 在鏈表上右擊， 從彈出的快捷菜單中選擇“ export ”命

6、令，即可將數(shù)據(jù)存為 .txt格式的文檔，將數(shù)據(jù)復(fù)制進(jìn)Excel 中（如上頁(yè)圖6） 。如果覺(jué)得數(shù)據(jù)小數(shù)位數(shù)過(guò)多可以進(jìn)行四舍五入適當(dāng)減少小數(shù)位數(shù)。Excel具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力。圖7就是利用Excel的圖表功能生成的一個(gè)折線圖，我們可以看出冰塊融化過(guò)程導(dǎo)致環(huán)境溫度的下降。我們學(xué)習(xí)開(kāi)源軟件和開(kāi)源硬件使用的主要目的是期望能夠把它們作為研究的工具來(lái)得到一些穩(wěn)定的規(guī)律，后期可以根據(jù)探究實(shí)驗(yàn)做一個(gè)研究報(bào)告。改進(jìn)項(xiàng)目2:用防水DS18B20溫度傳感器改進(jìn)“固體熔化時(shí)溫度變化規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是用普通溫度計(jì)，人工每隔 1 分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是記錄數(shù)據(jù)量小。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)用防水的DS18B20溫度傳感器，測(cè)量溫度。用Arduino編輯程序，用Excel分析數(shù)據(jù)。用 Arduino板做的晶 體熔化實(shí)驗(yàn)實(shí)物連接如圖 8 所示。Arduino 程序及數(shù)據(jù)記錄過(guò)程如圖 9 所示。將數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中，生成圖表，圖10呈現(xiàn)的是海波熔化的溫度變化，圖 11 呈現(xiàn)的是石蠟熔化的溫度變化。不難看出使用數(shù)字化的傳感器設(shè)備，我們得出了非常理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置當(dāng)中是難以完成的?？梢?jiàn)，通過(guò)改進(jìn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以方便地記錄和分析數(shù)據(jù)，并且通過(guò)這種物理