2019-2-18 22:29:28 [显示全部楼层]
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[项目] 【BOSON】冰雪融化实验及BOSON防水温度传感器试用(上)

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本帖最后由 rzyzzxw 于 2019-2-20 21:15 编辑

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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。

截图201902181634025417.png


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)。

截图201902181637096526.png


器材如图:

截图201902181638383965.png
用锂电池(没有电池数据标示)供电。

雪一杯

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温度模块探头与温度计液泡固定在一起

截图201902181639186260.png


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)

截图201902181643456902.png

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)。

截图201902181659365423.png

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)。

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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。

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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)。
截图201902181810054339.png


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。

截图201902181719129830.png

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。

截图201902181721244273.png


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。

截图201902181727356849.png


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。
截图201902181840256693.png
截图201902181840069614.png 截图201902182232095546.png

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。
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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。
截图201902182200176894.png

换个充电适配器(小米 5V  1000mA
截图201902182206588894.png

数据也稳定,27.9摄氏度。
换电池盒供电(三节新AAA电池)。
截图201902190954349825.png
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】

截图201902182212256860.png

【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。





rzegkly  版主

发表于 2019-2-18 22:35:14

科学探究很震撼,赞一个
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gray6666  初级技神

发表于 2019-2-20 07:55:52

精华的科学探究,赞。。。。。。。。。。。。
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summer2  学徒

发表于 2019-2-21 16:56:58

gray6666 发表于 2019-2-20 07:55
精华的科学探究,赞。。。。。。。。。。。。

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风痕  初级技师

发表于 2019-2-22 21:27:47

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