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[入门教程] 【掌控未来智造营】基于掌控板的科学课程之比热容实验

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#掌控板科学实验数据采集系列课程介绍#

一、课程初衷

学生在中小学实验课堂上学习的过程实际就是一个探究过程,实验是这个过程中不可或缺的环节,本文通过一些低成本的科学实验带领同学们一起进行分析，更加扎实逼真的了解一些科学实验数据，并适当增加一些有趣、有料的功能，让同学们能开心有趣的学知识

关键词，科学实验，低成本，逼真，有趣

二、课程规划

本次课程涉及到六个项目，分别是：

1.非接触式温度采集

2.重力势能、动能、机械能实验

3.声音数据实验

4.比较不同物质的比热容实验

5.时间，位移，速度实验

6.温湿度、环境光数据对比实验

此次课程设计会从中选择几个比较典型的实验供大家参考

三、课程目标

1.培养创新创造能力

2.掌握编程、设计、工程、数学等综合知识应用的能力

3.提高发现问题，解决实际问题的能力

4.在实验中学会团队合作，分工合作

四、过程方法

1.利用掌控板，低成本的传感器，廉价的木质结构，生活中可以获得的材料进行实验

2.学会编程软件的使用，学习简单的图纸设计，电路设计

五、课程准备

1.工具

剪刀，胶带，螺丝刀，热熔胶枪，电烙铁，钳子，记号笔啊，实验记录等等

2.硬件准备

3mm奥松板，亚克力板，五金件，掌控板，microbit，徽章板，实验用传感器每个实验单独介绍

3.软件准备

mpython，mind+，好搭block，office，lasermaker

六、课程开展

每个实验都会按照这个流程进行，方便同学们按步骤学习

#掌控板科学实验数据学具介绍#
本次课程的主要学具—实验数据测量平台，如下图：

#实验课程#课程一：比较不同物质的比热容

本教具适用于初中九年级物理第十三章《内能》中第3节《比热容》的内容教学，用于研究不同物质的吸热情况

一、知识背景

比热容

一定质量的某种物质，在温度升高时吸收热量与它的质量和升高的温度乘积之比，叫做这种物质的比热容，比热容用符号c表示，它的单位是焦每千克摄氏度，符号是J/(kg C)

单位质量的某种物质，温度降低1度所放出的热量，与它温度升高1度所吸收的热量相等，数值上也等于它的比热容

比热容是反映物质自身性质的物理量。不同的物质，比热容一般不同，如图1为一些物质的比热容

图1 一些物质的比热容

质量相同的不同物质，当吸收或放出同样热量时，比热容较大的物质温度变化较小。因此，比热容较大的物质对调节温度有很好的作用。从表中可以看出水的比热容比较大。当环境温度变化较快的时候，水的温度变化相对较慢。生物体内水的比例很高，有助于调节生物自身的温度，以免温度变化太快对生物体造成严重损害

通过以上的知识背景了解了比热容的知识，我们通过实验来比较一下不同物质的比热容

二、实验方案确定

在初中物理课本中提到了两种实验方案，第一种方案：用电加热器加热水和油进行对比，如图2和图3

图2 水加热温度变化

图3 油加热温度变化

第二种方案是利用传感器比较不同物质的比热容，如图4

图4 比热容实验装置

本次实验我们采用第二种方案，利用一种数字化的测量教具完成实验，以下是教具的简介，教具展示如图5，教具方案的选型迭代过程可以在文末看详细的附录，正文不再赘述

图5

三、实验教具简介：（1）教具的特色

a.远程脱机数据采集，减少实验误差；

b.实时保存，回传并打印实验数据，保证了数据的准确性；

c.可进行对比分析，完成相关知识点的探究；

（2）教具的制作方法 a.制作学具所需材料

温度采集器材清单（必须）

数据实时回传打印所需材料（非必须）

b.图纸、线路设计及组装
1）图纸设计

利用cad设计图纸，采用激光切割加工3mm奥松板，设计亮点在于突出了掌控板的声音，光线，触摸【Y】【O】引脚，RGB灯以及8路IO引脚，尤其是两个触摸引脚，在外壳上就可以直接使用，图纸与实物如图6图7

图6设计图

图7实物图

2）线路连接

如图8为传感器接线图

图8 传感器接线

如图9为开关充电电路

图9 开关充电电路

如图10为继电器控制热床电路

图10 继电器控制电路

非必须电路接线

图11为microbit与OBLOQ物联网模块的接线图

图11 microbit与OBLOQ物联网模块接线

徽章板不需要接线

图12徽章板

热敏打印机安装好驱动就可以使用了，也可以用办公室的打印机打印数据

图13热敏打印机

3）组装整合

为了方便采集科学实验数据，特地改进设计了可折叠式的支架结构，如图14

图14整体结构

图15 组合后完整实验装置

细节展示图

图16 热床局部图

图17 IO引脚接线

图18 IO引脚接线

图19 温度采集显示

4）程序设计与源代码

（1）数据采集

首先我们要知道比热容在数值上等于单位质量的某种物质温度升高1度所吸收的热量。如果知道一种物质的比热容，再知道这种物质的质量和温度升高的度数，就能计算它吸收的热量

一定温度的某种物质，在温度升高（或降低）时吸收（或放出）的热量与它的质量和升高（或降低）的温度乘积之比，叫做这种物质的比热容。温度变化时，热量的计算公式为

Q吸=cm（t-t0），Q放=cm(t0-t)

知道了计算原理，来看一下程序

掌控板完成温度采集任务，程序用【mpython】平台编写，如图20,21，按键按下采样100个温度数据

图20 掌控板部分程序1

图21 掌控板部分程序2

（2）数据保存和数据呈现

触摸掌控板【Y】键，可以将数据通过图表的方式直观的打印在【mpython】平台上，还可以通过发送消息至MQTT物联网平台，与microbit通信控制徽章板驱动打印机将测量数据进行打印，“打印”指令发送如图22

图22 “打印”指令发送程序

Microbit接收发射消息端程序用【mind+】平台编写，启动【mind+】，在扩展中选择主控【microbit】，通信模块选择【OBLOQ】模块，程序如图23

图23 microbit无线通讯程序

徽章板端打印程序利用【好搭block】平台编写，启动【好搭block】，主控选择徽章板，程序如图24

图24 徽章板打印程序

四、实验展示教具使用方法（教学过程设计、教具使用演示视频）课程导入

烈日炎炎的夏季，白天海滩上的沙子热得烫脚，但海水却非常凉爽；傍晚的太阳西落，沙子很快凉了下来，但海水却仍然暖暖的。同样的日照条件，为什么沙子和海水的温度不一样？

图25

带着这个疑问我们来一起探究一下原因

实验活动1：比较不同物质吸热的情况实验准备：

如图26所示，使用3mm奥松板制作的测量装置，通过掌控板连接的18B20温度传感器来检测水和油的温度，热敏探头和继电器来控制热床的温度保持恒定，测量一定的时间记录水和油的温度变化情况

图26

实验步骤：

1）如图27-31准备两个一次性水杯，一次性杯子的重量为6.2g，分别称量100g的水和油，为了防止液体挥发，用保鲜膜和皮筋对一次性水杯封口，将两个18B20温度探头分别放入盛有水和油的两个杯子中，保持良好接触

图27

图28

图29

图30

图31

2）掌控板，microbit，徽章板上传程序，掌控板连接两个18B20温度传感器，热敏温度探头，继电器

3）开始对热床上电进行加热

4）当热床温度达到70度时按下按键开始采集温度数据

5）加热三分钟后停止记录数据，掌控板运行程序利用给定的公式计算吸收的热量

注意事项：由于本次的实验装置热床需要使用外接的开关电源，对于用电安全一定要谨慎小心，做好短路保护

实验演示视频
实验结论：

三分钟的时间，比热容越大的物质温度变化越________________环境温度变化较快时，水的温度变化相对较_____________

如图32，33为加热三分钟后，水和油的温度变化曲线和数据打印结果，从图中可以看出，相同时间下，相同质量的水和油，水的温度变化曲线比油的温度变化曲线平缓

图32水和油的温度变化

如图33为打印出来的数据，由于热敏打印机比较旧了，打印出来的数据不是太清晰，需要仔细看

图33水和油的温度变化曲线打印

如图34，35为加热三分钟后，掌控板显示的水和油的温度变化和吸收的热量数据，油吸收的热量要大于水吸收的热量

图34 掌控板显示水和油的温度变化以及吸收的热量

图35 掌控板显示水和油的温度变化以及吸收的热量

课堂讨论：

我国北方冬天家中的“暖气”用水作为介质，把燃料燃烧时产生的热量带到屋中取暖。用水做运输能量的介质有什么好处？生活中还有没有用水来加热或散热的情况？

图36

课堂讲解：

水作为介质在冬天能够取暖就是因为它的比热容比较大，温度变化较慢，室内达到一定温度后，利用水的这一特性可以让室内温度保持相对恒定。冬天手里用的热水袋，一些冷鲜的食品泡沫箱中放置冰块，等也是这个原理

实验活动2：加热过程中水和油的吸热情况有了直观的比较，下面对水和油的放热情况进行一次比较实验准备：

使用3mm奥松板制作的测量装置，通过掌控板连接的18B20温度传感器来检测水和油的温度，热敏探头和继电器来控制热床的温度达到70度后，断开热床电源，采集100个温度数据，记录水和油的温度变化情况，更改掌控板程序中释放热量的计算公式

掌控板程序如图37，图38,图39

图37

图38

图39

microbit，徽章板的程序不变，这里不再赘述，可参考【实验活动一】的程序

实验步骤：

1）准备两个一次性水杯，分别称量100g水和油，为了防止液体挥发，用保鲜膜和皮筋对一次性水杯封口，将两个18B20温度探头分别放入盛有水和油的两个杯子中，保持良好接触

2）掌控板，microbit，徽章板上传程序，掌控板连接两个18B20温度传感器，热敏温度探头，继电器

3）开始对热床上电进行加热，当热床温度达到70度时，切断热床电源

4）热床温度下降，水和油的温度也会下降，按下按键开始采集温度下降时的数据，采集100个数据后停止采集

5）掌控板运行程序利用给定的公式计算放出的热量

注意事项：由于本次的实验装置热床需要使用外接的开关电源，对于用电安全一定要谨慎小心，做好短路保护

实验结论：

比较水和油三种内温度数据，比热容越大的物质放热过程中温度变化越________________，环境温度变化较快时，水的温度变化相对较_____________

如图40所示，放热过程中，水的温度变化比油的温度变化平缓

图40 放热过程，水和油的温度变化曲线

图41为物联网平台接收到的温度数据

图41 水和油的温度数据发送在esay iot平台的数据

图42 为水和油放热温度采集结束后打印出来的温度曲线

图42 热敏打印机打印水和油的温度变化曲线

图43和图44为放热过程开始时采集到水和油的温度和采集结束时采集到的水和油的温度，以及释放的热量

图43 开始采集放热过程时水和油的温度

图44 采集结束时水和油的温度，以及释放的热量

课堂讲解：

通过实验结束后对水和油释放热量进行比较，放热过程中，水的温度下降速度比油的温度下降速度慢

五、结论

本实验装置使用了掌控板及一些周边的传感器，成本低，结构器材采用激光切割的木板材料，可操作性强，实验操作简单快捷，和一些电加热器相比比较安全可靠，数据采集方便直观，实验效果明显，可进行数据展示和数据打印，可使用与教室演示和学生自主探究，有利于学生对本章节内容的学习和理解。

正文完

#实验以外的知识#

水的密度大于油的密度，所以相同重量的水和油，油的体积大于水的体积，通过下图可以看出

#实验教具方案的迭代过程：

在给物质加热的方案中思考了三种方案，有电加热器（热得快），电磁炉，热床，从安全性，可实施性，成本方面进行对比后，采用了热床加热的方式，因为热床加继电器可以用掌控板控制，同时安全隐患相对较小，最关键是不需要再去采购，从废旧的打印机拆一块就可以用

加热方案确定后就是温度采集方案的确定，因为本次实验为接触式的测量，有两种方案可选，第一种是18B20防水温度传感器，第二种就ntc热敏温度探头，比较了两种方案后，ntc热敏探头的优点是温度响应比较灵敏，正好热床自带热敏探头，利用热敏探头采集热床温度数值来保持热床温度恒定，剩下的两种液体水和油用18B20温度传感器来采集温度数据

保持热床温度恒定是面临的第三个问题，选择继电器通断电控制热床是否加热来保持热床温度恒定

方案确定，接下来先利用Arduino和mixly来完成基础测试，热敏探头测温度网上有串联电阻的方法比较合适，如下图

因为不知道这块热床上的热敏电阻的型号，这次没有使用这种方法，又想要把热敏温度探头使用起来，想了另外一种思路，将18B20温度传感器和热敏温度探头都固定在热床上，利用18B20测量温度数值，同时热敏温度探头测模拟数值，这次我们只需要让热床保持到一个恒定的温度即可，不涉及到温度的精确调节，如果能够保证热敏探头的模拟量通过映射计算后得到的温度数值和18B20的测量到的温度数值相同或相近基本就可以达到目的，下面就是这次温度标定的过程，通过继电器的通断将温度保持在71度

首先利用arduino通过mixly验证方案的可行性，如果能够利用arduino控制热床输出恒定的温度，迁移到掌控板也没有问题

实验验证后测量到温度范围是20度-71度之间，热敏探头的模拟值范围在950-500左右，通过查看实验结果方案基本可行，接下来尝试再增加一个18B20温度传感器

尝试后发现，mixly环境下编程没办法同时采集两个18B20的温度，然后换成mind+平台尝试用掌控板控制热床输出恒定的温度，由于掌控板的模拟量范围是0-4095，而arduno的模拟量是0-1023，所以移植的时候需要重新标定，下图是利用mind+进行的温度标定程序

从下图中可以看到热床在没有加热的情况下，温度是在20度左右，热敏探头的模拟量大概处于3680的数值，热床温度加热到71度时的热敏探头的模拟量大概为1900的数值，知道这两个数值我们就可以在程序中进行映射也就是这两个范围【20—71】——【3680—1900】进行映射

下图为18B20测量到的温度20度时，热敏温度探头的模拟数值为3679

下图为18B20测量到的温度71度时，热敏温度探头的模拟数值为1915

下图为温度标定后18B20和热敏温度探头测量到的温度基本一致

下面两张图片为18B20温度在20-71之间热敏温度探头模拟量的变化过程

标定完成后以为可以进行温度采集了，后来发现mind+也只支持一个18B20传感器采集温度，最后我们又把方案移植到了mpython平台，最后的程序才得以实现

#改进 #

此次实验方案可以改进的地方有三方面

第一方面，热床温度只是简单的控制，如果再加入补偿算法，利用PID控制温度会更加的精确

第二方面，本次热敏温度探头的温度也是简单的标定，还可以再优化算法更加精确

第三方面，水和油的温度采集，18B20的响应速度还是比较慢的，也可以更换防水的热敏温度探头进行尝试

#总结#

本次比热容实验验证完毕，最大的感受就是将之前初中学到的物理知识又重新回忆了起来，并且将书本上的理论知识融入到了实践中，整个实验过程不仅对物理理论进行了验证，其实更多的是综合能力的提升，从确定实验内容，到器材选型，图纸设计，方案的迭代，资料的查找，电路设计，程序优化等等各个环节都会遇到预想不到的问题，也是一个发现问题解决问题的过程，能力也是在这个不断实践的过程中得到提升的，回过头来看这也正是stem综合课程的体现，当下的学生正需要这样的过程来提升自己

造物让生活更美好，希望大家一起动手造起来！

本次课程内容结束，让我们共同期待下一期课程的精彩内容

#花絮#

视频录制时没有手机支架，就地取材做一个支架