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[入门教程] 【掌控未来智造营】让你知道一个气球**的威力

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气球**动图.gif


    很多小朋友都喜欢玩气球,但它**的声音有时候会让人害怕,甚至有些成年人都害怕吹气球,那么气球**时的威力到底有多大呢,今天就跟着旺仔爸爸来揭秘一下
气球**的威力.gif


从上图中可以看出气球**时的具体压强数值
到底怎么做到的呢
噔噔噔,又到了我们科学探索课堂的时间了
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#掌控板科学实验系列课程课程六:探究气体、液体的压强
      本课程适用于八年级物理下册第9章《压强》中第2节《液体的压强》、第3节《大气压强》的内容教学,用于探究气体、液体的压强
一、知识背景
压强
    在物理学中,物体所受的压力的大小与受力面积之比叫做压强,P=F/S
液体内部的压强
    液体内部压强的大小具有这样的特点:在液体内部同一深度,向各个方向的压强都相等;深度越深,压强越大。液体内部压强的大小还跟液体的密度有关,在深度相同时,液体的密度越大,压强越大。
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    深度为h处液体的压强为P=ρgh
大气压强
    液体内部朝各个方向都有压强,这是由于液体能够流动。空气也能流动,空气中是否也存在朝各个方向上的压强
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    生活中塑料吸盘能够吸附在光滑的墙面上并且能够承受重物,如果将塑料吸盘戳个小孔,空气通过小孔进入到吸盘和光滑的墙面之间,内外压强相等,这时候吸盘就不可能贴在光滑的墙面上。
    吸管能够从饮料瓶中喝到饮料,如果把饮料瓶口密封起来,是大气不能进入杯内,我们也不能从瓶中吸到饮料
    从这几个生活中的例子可以看出大气压强确实存在的,大气压强简称大气压或气压
    标准大气压强为101.3Kpa
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大气压强会随着海拔高度的升高减小,在海拔3000m以内,大约每升高10m,大气压强减小100pa
通过以上知识背景了解了液体压强与气体压强,
在本次的科学探究课堂中如果我们能够利用数字化的工具和开源硬件能够测量液体压强和气体压强,就达到了本次课程目的,下面我们就来尝试一下实验方案的可行性
二、实验方案确定
通过上述分析,我们知道需要测量的数据有液体压强和气体压强两个
首先我们来看能够测量液体压强的传感器有哪些,通过DF商城查找,找到如下器材
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    横向比较上述两种传感器,区别在于,一种是投入式的测量,一种是非投入式测量,两种传感器的精度都在0.5%左右,当然成本也有所差别,最后决定选择成本比较低的方案
液体压强传感器确定后,接下来确定用来测量气体压强的传感器,通过搜索知道绝大部分的气压传感器都是由Bosch公司生产的,从Bosch官网查到如下可以测量气体压强的传感器
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可以用来测量的系列有很多种,列举三种比较典型的传感器进行比较,
BMP280气压传感器可以用来测量气体压强和温度
BME280气压传感器可以用来测量气体压强,温度以及环境湿度
BME680气压传感器可以用来测量气体压强,温度,环境湿度以及挥发性有机化合物(VOC)
从BMP280,BME280到BME680都可以测量大气压强,都符合本次实验要求,价格也成梯度变化,由低到高
下图为之前的购买BMP280和BME280两款传感器的记录,BME680功能更强大但本次实验基本上用不到那么多功能,本着不浪费的原则,在满足需求的前提下选择成本最低的,本次我们选用BMP280传感器进行实验测量,BMP280的精度在0.5%,作为实验数据基本够用
需要注意的是BMP或BME这系列的气压传感器电压有3.3V和5V之分,一定要选对,否则容易烧坏
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下图为BMP280的外形图,支持SPI和IIC接口
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    传感器方案确定后,确定本次实验方案的主控板,主控可以选择Arduino和掌控板,本次比赛要求使用掌控板,当然原理都是一样的,我们可以先利用arduino去实现功能,然后再移植到掌控板上会更加有效率一点
    基本方案确定后,我们来看一下完成本次实验所使用的教具
以下是教具的简介
三、教具使用简介1、教具的特色
a.低成本,简单易用;
b.可编程,有丰富的创造空间
c. 实时保存实验数据,保证了数据的准确性;
2、教具的制作方法
a.制作教具所需材料
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b.设计接线组装
1)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】引脚以及RGB灯,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
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3、线路连接
如下图所示为传感器接线图,气压传感器使用IIC引脚,水压传感器接模拟引脚P0,按键接掌控板p7引脚,由于掌控板电压为3.3V,我们本次的BMP280传感器也选择3.3V的规格
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开关充电电路如下图
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4、零件组装
        本次实验教具的外形结构基本不变
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下面为本次实验教具的整体外观图
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5、原理分析、测试、程序源代码
(1) 原理分析,功能测试
BMP280气体压强传感器功能测试
下图为BMP传感器自带的arduino示例程序,我们先用arduino nano进行传感器的功能测试
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arduino nano与BMP280传感器接线如下图,一定要注意,电压选择3.3V
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测试效果如下图,从测试结果可以看出,当前测试的环境温度为29.4度左右,大气压强为101Kpa左右,数据正常,可以继续探究
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模拟量水压传感器功能测试
官方给的示例程序如下图
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arduino nano与模拟量水压传感器接线如下图
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测试效果如下图
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需要注意的是,官方示例程序第一次测试出现的水压数值为负值,跟DFRobot的工程师沟通后可以调节常量【offset】的数值来校准,【offset】的数值在0.2015左右时比较接近大气压强
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通过上述测试,液体压强和其他压强测量的功能基本实现,可以尝试移植到掌控板中进行测试了,额外强调一点,上述测试程序利用的是arduino ide代码编写的,移植到图像化的mixly编程环境中也可以实现,需要注意的是测量气体压强时用到了BMP280库函数,mixly中只有BME280的库函数,如果自己再去封装库会比较繁琐,掌控板的程序先用arduino测试成功后,后面编程时会介绍一个利用mixly编程实现的小技巧
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(2)  程序源码
掌控板的程序编写介绍【arduino ide】 和【mixly】两种编程环境,掌控板与传感器的接线图参照【教具制作方法】中【线路连接】部分
如果要知道具体的引脚IO口信息,也可以看下面的芯片引脚定义图,了解IO信息有助于代码编程
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掌控板测量大气压强程序
掌控板测量气体压强的【arduino ide】程序如下图,掌控板的测试结果与aeduino nano的测试结果比较后发现,测量到的大气压强在96Kap左右,比正常大气压少5Kpa,于是在程序中做了修改,增加了5Kpa
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测试结果如下图
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掌控板测量气体压强的【mixly】程序如下图
需要注意的是,在mixly图形化编程环境中,要使用BMP280的库函数,需要将mixly编程环境调整至代码模式,将程序中的BME280修改为BMP280(当然前提是需要将传感器本身提供的库函数加载入库文件夹中,如果使用BME280将不会有这个问题,mixly自带BME280的库函数,库函数加载的方式可以自行百度,库文件在购买传感器时可以咨询卖家)
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掌控板测量液体压强程序
在arduino程序移植到掌控板时,一直存在一个问题没有找到解决的办法,掌控板的工作电压是3.3v,模拟数值范围是0-4095,将arduino的程序修改后上传至掌控板,发现数值并不准确,电压容易忽高忽低,由于比赛截止时间要到了,所以液体压强的测试程序暂且用arduino nano来做实验
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四、实验展示教具使用方法
下面来具体展示一下实验教具的使用案例
实验活动一:利用模拟量水压传感器测量液体压强
课程导入
    很多同学都喜欢游泳,当我们在游泳的时候身体会有一种感觉,当我们身体在水里的位置越深的时候身体能明显感受到比较大的压力,而且水越深压力就会越大,这种现象其实就和液体压强有关系,我们今天就来测试一下,液体的深度与压强的具体关系
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如下图为实验教具展示
实验准备:
纯净水桶一个,包含掌控板和水压传感器的实验教具(由于bug未找到,用arduino nano代替做实验)
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实验步骤:
1)arduino nano上传程序,连接模拟量水压传感器
2)在水桶旁边放置刻度尺
3)将空的水桶中慢慢注入自来水
4)记录串口监视器上显示的数据
实验数据
下图为水桶里水位为0cm、15cm、30cm时的液体压强数值
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实验结论
通过以上实验可以得出结论:液体内部压强和液体深度有关系,深度越深压强越大
课堂讨论:在实验测量的过程中存在哪些误差?可以采取什么的方法避免这样的误差来提高实验数据的准确性
实验活动二:利用BMP280传感器测量气体压强课程导入   
    很多小朋友都喜欢玩气球,但它**的声音有时候会让人害怕,甚至有些成年人都害怕吹气球,那么气球**时的威力到底有多大呢,今天我们就来测试一下




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如下图为实验教具展示
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实验准备:
准备几只气球,包含掌控板和水压传感器的实验教具
实验步骤:
1)掌控板上传程序,掌控板连接BMP280传感器
2)将BMP280传感器放入气球内部
3)用打气筒向气球内部打气,直到气球吹破为止
4)记录OLED屏幕上显示的数据
视频演示:
实验结论:
吹破一直普通的气球大概需要108Kpa的大气压强
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实验中某次结果如下图:
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课堂讨论:讨论马德堡半球实验中的气体压强
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五、结论(教具的演示结果的准确性;教具的可推广性)
本实验装置使用了掌控板和廉价的传感器,和其他测量装置相比,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,数据采集方便直观,实验效果明显,可进行数据展示,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。
#总结#
在本次实验过程中遇到了掌控板无法准确使用水压传感器的情况,后续要仔细查找原因,优化程序方案
本次实验也让我们明白一个道理,其实做科学实验重在的是实验探究的过程,关键是多学科融合的能力,并不一定每次都能成功,更多的应该去总结每次遇到困难时解决的思路和经验,从总结中让下一次的实验更成功才是科学探究课程的可贵之处
造物让生活更美好,接下来还会有更多的科学实验课程,关注旺仔爸爸造物社公众号共同期待吧
联系请加旺仔爸爸18752544995

微信图片_202006010319036.jpg

rzyzzxw  版主

发表于 2020-6-1 07:35:55

郭老师太优秀。
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