【BOSON】冰雪融化实验及BOSON防水温度传感器试用（上）

这只是一个实验过程记录，一边观察，一边思考与记录。在整个过程中探索，验证与发现。
不完整，也不是教程。
只是我感兴趣的一个探究。
至于达到什么结果，也不清楚，小朋友参与了这个实验。【2.20补记：两天进行了一个并不严谨的探究实验，汇总到了（上）（中）两个帖子，第一天的实验在摸索，走了不少弯路，第二天稍微清晰了一些，围绕冰雪融化和BOSON防水温度传感器试用开展了一些探究，希望在学校社团活动中能用到。如果能给您在STEM教学活动中器材选型及教学内容有些参考，就是更开心的一件事了。】

实验目标：

试用BOSON防水温度传感器

尝试找出传感器(掌控板下)测试数据与温度值之间的关系

探索冰雪融化时的温度变化及吸热情况。

实验在室内进行。室温约6摄氏度，今天的实验中没有加热，只是让冰雪自然融化。

器材准备：

1、BOSON防水温度传感器  1

2、掌控板         1

3、掌控扩展板   1

4、温度计          1

5、铁架台          1

6、烧杯及冰雪水混合物    1

本实验的冰雪水混合物取自小朋前天收集的一大锅雪，有些融化呈雪水混合状。

用掌控板的原因是掌控板的屏幕可以方便读数（但是在mPhthonX下现在还没有这种传感器的数据换算适配程序，所以我跳进了一个小坑里，并希望能找到数据与温度的关系）。

器材如图：

用锂电池（没有电池数据标示）供电。

雪一杯

温度模块探头与温度计液泡固定在一起

测温探头与温度计放入雪水混合物中间（要求不能接触杯壁，在中间位置）

实验开始时间：15：30

资料：

【冰水混合物】

一般把冰水混合物作为0℃的温度参考，要注意的是，在实验室中一般测得的冰水混合物温度在0-4摄氏度左右，而不是0℃。
知识点
1、冰是晶体，晶体的熔化温度叫做熔点。
同一种晶体的熔点和凝固点是相同的，但会随外界压强变化而变化。
在压强改变的情况下，冰的熔点变化，冰水混合物的温度改变.在一个标准大气压下，冰（水）的熔点（凝固点）为0°C，当水在凝固，冰在熔化时，就是冰水混合物的状态，晶体在熔化和凝固时温度保持不变，所以冰水混合物的温度一直是0°C。

对于冰水混合物
1、如果你把它放在很高的温度下。（如40℃的房间）它当然要吸热。但因为有冰，所以热量先被冰吸收熔化。而冰吸热熔化的过程，温度不变，还是0℃。所以，只要里面有冰，温度就不会升高（还是0℃）。
2、如果你把它放在很低的温度下。（如-40℃的房间）它当然要放热。但因为有水，所以水先放热。而水放热凝固的过程，温度不变，还是0℃。所以，只要里面有水，温度就不会降低（还是0℃）。

冰水混合物的温度随大气压强改变吗？
冰水混合物的温度，在一个标准大气压下是0℃。
当压强增大或减小时，会发生变化。
变化的规律是，压强变大，冰的熔点降低，也就是冰水混合物的温度降低。
如，0℃以下的冰，假设是－0.3℃加大压强，用锤子敲打时，它会熔化成水。

【1个标准大气压的由来 】
地球的周围被厚厚的空气包围着，这些空气被称为大气层。空气可以向水那样自由的流动，同时它也受重力作用。因此空气的内部向各个方向都有压强，这个压强被称为大气压。1654年格里克在德国马德堡作了著名的马德堡半球实验，这让人们对大气压有了深刻的认识，但大气压到底有多大人们还不清楚。11年后意大利科学家托里拆利在一根80厘米长的细玻璃管中注满水银倒置在盛有水银的水槽中，发现玻璃管中的水银大约下降了4厘米后就不再下降了。这4厘米的空间无空气进入，是真空。托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱的长度。根据压强公式科学家们准确地算出了大气压在标准状态下为1.01×105Pa。
大气压的变化跟高度有关。大气压是由大气层受到重力作用而产生的，离地面越高的地方，大气层就越薄，那里的大气压就应该越小。不过，由于跟大气层受到的重力有关的空气密度随高度变化不均匀，因此大气压随高度减小也是不均匀的。
大气压的变化还跟天气有关。在不同时间，同一地方的大气压并不完全相同。我们知道，水蒸气的密度比空气密度小，当空气中含有较多水蒸气时，空气密度要变小，大气压也随着降低。一般说来，阴雨天的大气压比晴天小，晴天发现大气压突然降低是将下雨的先兆；而连续下了几天雨发现大气压变大，可以预计即将转晴。另外，大气压的变化跟温度也有关系。因气温高时空气密度变小，所以气温高时大气压比气温低时要小些 。
大气压不是固定不变的。为了比较大气压的大小，在1954年第十届国际计量大会上，科学家对大气压规定了一个“标准”：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。既然是“标准”，在根据液体压强公式计算时就要注意各物理量取值的准确性。从有关资料上查得：0℃时水银的密度为13.595×103千克／米3，纬度45°的海平面上的g值为9.80672牛／千克。于是可得760毫米高水银柱产生的压强为 ：
p水银=ρ水银gh
=13.595×103千克／米3×9.80672牛／千克×0.76米
=1.01325×105帕。
标准大气压，记作atm
1标准大气压=1atm=760mm汞柱=76cm汞柱=1.01325×10^5Pa=10.336m水柱。
1标准大气压＝101325 N／㎡。

根据以上资料，本实验的严谨程度不够。

1、查找当前气压为1024.6mb(天气预报数据)，比1标准大气压稍大一点（手上没有气压计）。

2、温度计手里只有一支（分度值 1，来自实验室，有MC标记），精度多少不知（查资料后，发现大约是0.5），按比较标准来用吧。

掌控程序经过三次迭代。

程序准备：

1、第一个版本，数据显示太快，不好读取（读数在2000+，并且随温度高读数变小，传感器数据与温度到底是什么关系呢）。

2、第二个版本，加上延时500ms，数据显示仍然频度较高，看来传感器挺灵敏的。

3、第三个版本，求20个数据的平均值。从科学探究的角度，多次测量求平均值是常用的方法（今天记录的数据主要用到这个程序，但是感觉数据量还少，平均值相对上面两种方法稳定，但还是有波动）。

BOSON防水温度传感器在商城内并没有资料。

只找到DS18B20 防水温度传感器套件，多外观上看，传感器是3线的，与boson的不同。资料也是只能参考了。

有Arduino样例，不会，绕行吧。

有MIND+的程序，手上备的还真有，必要时拿出来一起测试。

BOSON科学实验装，资料查找中……

李工们正在放假，先不打扰他们，自己找找先。

哈哈，记得前面找到过boson的宝库，写在帖子中，果然找到了。https://renjichang.gitbook.io/boson/
是它是它就是它。



资料读过，决定增加设备：
1、boson防水温度传感器     1
2、boson电池盒                  1
3、boson  oled屏                1
4、boson 电源主板-一路      1


去年暑假参加DF活动，小朋友获得的BOSON科学器材，有上面模块，可以用。


19：00
器材组装完毕，探头放冰水合物中，用小米手机充电适配器（5V  2A）供电。
目测可以明显看到冰雪有些融化了。【下面的操作后来发现有很严重的问题，2.19日补记】
温度值如图，读数相当稳定。可是感觉数据很不准啊，冰水中。40.8摄氏度。


换个充电适配器（小米 5V  1000mA）


数据也稳定，27.9摄氏度。
换电池盒供电（三节新AAA电池）。

读数19.7摄氏度，并且不稳定。
这样，我发现前面的记录的数据是有问题的。

【实验阶段小结】



【一】温度计的数据一直稳定在-1.2摄氏度（这个数据是符合上面资料内容的）。
1、一般把冰水混合物作为0℃的温度参考，要注意的是，在实验室中一般测得的冰水混合物温度在0-4摄氏度左右，而不是0℃。
2、冰水混合物的温度，在一个标准大气压下是0℃。当压强增大或减小时，会发生变化。变化的规律是，压强变大，冰的熔点降低，也就是冰水混合物的温度降低。
3、在一个标准大气压下，冰（水）的熔点（凝固点）为0°C，当水在凝固，冰在熔化时，就是冰水混合物的状态，晶体在熔化和凝固时温度保持不变，所以冰水混合物的温度一直是0°C。

【二】锂电池电量消耗影响了传感器的读数。所以19：30之前记录的不断下降的值是无效数据。
19：30更换用小米5V 1000mA适配器供电后，就取得稳定的数据。

前面我还一直纳闷，冰水混合物普通温度计的读数稳定，而传感器的值为什么一直下降呢。
现在搞明白了，设备耗电导致供电电压不足，读数也不准确了。

【三】2.20补记，现在回看前面的记录，感觉有些可笑，一个个坑踩过来，才发现路大致该咋走。
我手上有两个BOSON防水温度传感器，第二天测试时发现两个传感器在同一环境下的读数也有误差。所以在严谨的探究中首先标定传感器，并控制变量进行多组实验取平均值所得结论更可靠（虽然在课堂上这样讲给学生听，但实践中的经验更加印象深刻）。

同时，纯水和溶液的凝固点是有差异的，自然降雪并不是纯水，同时我取的实验样冰雪是小朋友从房顶收集的，包含了更多杂质，所以浓度会更大一些。

今天的实验到此暂停。
因为不能用自动记录（小朋友也提出来这个问题，因为普通温度计要读数记录啊），融化过程还在继续，明天继续下一步实验。

如何设计修改实验方法，让我想想。

明天继续。
欢迎各位老师提些建议。

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gray6666 发表于 2019-2-20 07:55
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