【掌控未来智造营】用掌控板探究物体内能的变化

    汽车之所以能够在马路上持续行驶，正是因为汽车的发动机能够将燃料化学能转化为汽车的动能，其中发动机内部压缩气体做功起到了关键的作用，如上图所示，那么压缩气体做功到底会带来哪些变化呢，今天就跟着旺仔爸爸来揭秘一下

噔噔噔，又到了我们科学探索课堂的时间了

#掌控板科学实验系列课程课程七：探究物体内能的变化

      本课程适用于九年级物理第十三章《内能》中第2节《内能》的内容教学，用于探究物体内能的变化

一、知识背景

内能

    构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能

人教版物理课本中的实验如下图所示

通过上述实验可以总结如下特点

压缩气体做功时，空气的内能增大，温度升高

气体膨胀对外做功时，温度降低，内能减小

但上述实验中的数据无法定量观察

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出大气压强和温度的具体变化数值，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气体压强和温度，而上次课程中用到的BMP280传感器就可以实现压强和温度的测量

本次课程还可以继续使用上次课程中的BMP280传感器采集数据

上图为横向比较同系列的其他型号传感器，有条件的可以使用更高级别的产品

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

下图为BMP280的外形图，支持SPI和IIC接口

    传感器方案确定后，确定本次实验方案的主控板，主控还是选择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

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

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

开关充电电路如下图

4、零件组装

        本次实验教具的外形结构基本不变，额外使用了一个注射器，需要注意的是在使用过程中需要用热熔胶进行密封处理

下面为本次实验教具的整体外观图

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

arduino nano与BMP280传感器接线如下图，一定要注意，电压选择3.3V

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

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

（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

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

测试结果如下图

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）

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：利用注射器探究物体内能的变化

课程导入

    同学们都知道汽车是靠燃油燃烧才能在马路上持续行驶的，汽车发动机内部是如何通过气体压缩将燃料燃烧的呢

如下图为实验教具展示，我们通过一个注射器来观察气体压缩是都会带来哪些现象

实验准备：

注射器一个，BMP280 传感器和掌控板的实验教具

实验步骤：

1）掌控板上传程序，连接BMP280传感器

2）将BMP280传感器放置在注射器内，并用热熔胶做密封处理

3）将注射器推杆往外拉，内部保留足够的空间，用一只手堵住注射器的针头部分，用另一只手慢慢向里推注射器，使注射器内部气体压缩

4）记录串口监视器上显示的数据

5）将注射器推杆往里推，内部保留细小的空间，用一只手堵住注射器的针头部分，用另一只手慢慢向外拉注射器

6）记录串口监视器上显示的数据

实验数据

下图为压缩气体做功时，注射器内部的压强变化，随着气体压缩，内部压强呈逐渐增大的趋势

下图为压缩气体做功时，注射器内部的温度变化，实验数据最后呈下滑趋势，是因为手停止推动的原因

下图为气体对外界做功时，注射器内部的压强变化，随着气体对外界做功，内部压强呈逐渐减小的趋势，最后数据上升的原因是因为手停止拉动的原因

下图为气体对外界做功时，注射器内部的温度变化，随着气体对外界做功，内部温度呈逐渐减小的趋势，实验数据最后温度上升，是因为手停止拉动的原因

视频演示：

实验结论

通过以上实验可以得出结论：外界对气体做功，气体压缩，内能增加，温度升高

气体对外界做功，内能减少，温度下降

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。

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太棒了，巧妙的实验设计。