王正

【内容摘要】本文以江苏教育版八年级物理10.3气压为例，对流体压力与流速关系进行的实验进行分析，设计制作了教具，用以定量测定流速与压强的关系，以直观的实验现象得到流体压强与流速的关系。文中阐述了自制教具的设计思路、器材选择思路、硬件连接和软件程序设计的具体方法，以及后续进一步改进完善的设想。为有相同想法的同行提供一个参考。

【关键词】自制教具 流体压强 物理实验

流体，是与固体相对应的一种物体形态，是液体和气体的总称。在初中物理八年级下10.3中，课本讲到了流体的压强，文中通过三个实验来说明压强与流速的关系：在一张纸条上方吹气，纸条向上飘起；吹气球，气球向气流方向运动；向倒扣的漏斗里吹气时乒乓球不会掉下去。综合三个实验现象分析得出：流体中流速越大的地方压强越小。笔者认为，流体中压强与流速的关系并没有很好的交代清楚，实验中只演示了空气不流动和空气流动两种情况下压强的大小关系，而并没有说明流体中压强大小和流速的关系。为了能更直接的显示流体压强与流速的关系，笔者设计和制作了流体压强与流速关系的演示仪，经实际测试使用，效果良好，解决了书本实验结论的得出比较牵强的弊端，也更利于学生了解流体压强与流速的关系。该装置具体设计制作方法如下。

一、 设计思路

教材中只有实验的演示，但实验现象的说服力不强。为了能直观的显示压强与流速的关系，就必须以适当的方法把不同流速下的压强值测出来。因此，笔者的设计关键在于如何实时的测定气体内部的压强，并且，还需要以适当的方式把实时测得的气压值显示出来，再配合空气流速的改变，不间断的测定气压值和输出显示，只有这样，才能确切的说明流体的压强和流速之间是否有关，以及有什么关系。

二、 器材选择

要实时的测定气压，传统的水银气压计也好、金属盒气压计也好，都因体积过大，不便于携带和操作的原因而不适合此实验的需要。因此，笔者想到了使用气压传感器。通过查阅相关资料，选定了BOSCH公司出品的BMP180气压传感器。这是一款高精度，小体积，超低能耗的压力传感器。它的性能卓越，反应时间可以达到7.5ms，精度低可以达到0.03hPa，可以轻松的通过I2C总线直接与各种微处理器相连，无需额外的供电，能很好的满足实验的需求。

要改变空气流速，需要使用风扇。笔者试过几种方法，最先想到的是用普通的电扇，但实验中发现，普通的电扇体积太大，不便移动，最关键的是风速达不到要求。还试过玩具电机，但电机功率太小，产生的风速也不够。全部否定之后，通过查阅电机的相关资料，决定使用空心杯航模电动机。这种电动机功率很大，体积小巧，装上螺旋桨后，可以产生很高的风速。作为一种高效的能量转换装置，其重量和惯性矩很小，转子本身的机械能损失很少，不仅具有出色的节能特性，更重要的是，它具有铁芯电机无法实现的控制和拖曳特性，与L298N电机驱动板相匹配，可以准确快速地控制速度，达到调节风速的目的。

要控制传感器实时读取，还要把读取的数据处理和显示出来，同时也要调节控制电机转速，再综合考虑整个装置的移动性和可靠性，对上述要求的分析最终决定这些硬件必须通过单片机系统集成。目前，市场上有许多成熟的单片机系统，综合性能、成本、易用性和笔者的程序设计能力，最终选择了Arduino平台来实现这些功能。Arduino是一款易于使用的开源电子原型制作平台。主要包含两个主要的部分：硬件部分是Arduino板，可用于电路连接；另一个是ArduinoIDE，它是计算机中的程序开发环境。Arduino的编程语言的语法基于C++语言，是一种非常成熟的计算机语言，互联网上有大量的示例可供参考，这在后续的程序设计中也起到了很大的作用，可以避免走很多弯路。

三、 制作方法

1. 硬件的连接

硬件连接的核心是Arduino开发板的连接。首先连接显示输出部分。I2C总线接口的1602LCD有4个接线端，分别是VCC、GND、SDA、SCL，对应连接到Arduino开发板的相应端口。其次是读取气压传感器的数据，BMP180气压传感器也是通过I2C总线与开发板连接的，模拟端口A3和A4配置为SCL和SDA，分别连接BMP180的SCL和SDA，VCC和GND可以与1602LCD显示屏的相应接口并联。电机驱动电路L298N的N1、N2、N3、N4分别连接开发板的数字端口3、4、5、6，ENA和ENB作为控制信号输入连接开发板的数字10、11端口，以便通过PWM信号占空比来控制电机转速。为了便于通过开关控制风扇转速，在2脚和GND间接入下拉电阻，用自复位开关连接2脚和VCC，以点按的方式提供触发信号，达到分段调节风速的目的。考虑到整个装置的移动性和使用的稳定性，使用了3个18650的锂离子电池串联的电池盒供电，通过5521DC接口和主机连接。实测在充满电的情况下可连续工作24小时以上，足够日常演示使用。5521接口同时也支持外接DC12V电源，这是一种非常常见的电源，万一遇到电量不足，可以随时用DC12V电源连接供电。

2. 程序设计

#include //载入必要库文件

#include //载入必要库文件

LiquidCrystal_I2C lcd（0x27，16，2）； //设置1602显示屏总线地址

#define BMP180ADD 0xEE>>1 // 定义BMP180气压传感器总线地址

void loop（） //程序循环部分，用于循环测量气压

{

if （digitalRead（s）==1） //判断2脚信号

{

sPushCounter++；

if （sPushCounter==6）

{

sPushCounter=0；

}

RunFan（）； //調用风扇控制子程序

delay（150）； //延迟150ms

}

calculate（）； //调用BMP180数据读取和处理子程序

show（）； //调用显示子程序将结果显示到LCD屏

}

以上是程序设计的主要部分，引脚定义部分和各个子程序的设计，限于篇幅，不在此赘述。

该装置在实际使用中，反应灵敏，表现稳定可靠，能方便的通过按钮改变电机转速调节空气流速，同时读取实时的气压值显示在屏幕上，与教材的演示实验实现了互补，有效的解决了书本演示实验的不足，学生可以更准确地了解流体速度与流体内部压强之间的关系。当然，使用过程也发现了一些不足之处。比如由于BMP180为民用级别的气压传感器产品，气压读数有时不够稳定，数值会有波动；开关方式的控制只能把电机转速固定在几个特定的档位，不利于规律的得出。这些不足之处笔者也在思考改进中，后期设想通过数学算法的改进来过滤数值的抖动问题，以便实现更稳定的输出；通过更换电位器也可以连续调节电机速度来改变空气流速。

总之，初中物理的实验教学有还许多值得深入推敲的地方，物理教师要充分发挥自己的智慧，多思考，多练习，创造更多对教学有益的教具。

（作者单位：昆山市第二中学）