物联网技术应用在物理实验中的教学研究——以空气比热容比的测定实验为例

刘兴云，刘鑫豪，王玙璠，翟俭超，杨火祥，朱国良，刘梦娟

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

物联网技术应用在物理实验中的教学研究
——以空气比热容比的测定实验为例

刘兴云，刘鑫豪，王玙璠，翟俭超，杨火祥，朱国良，刘梦娟

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

在物理实验教学中，由于教学采用大班方式，教师在教学时无法对持有疑问的学生一对一全面性及时辅导；在批阅学生实验报告时要完成检阅、计分、登分等细节化较强的工作，稍有不当就会出现教学环节上的失误；部分学生不重视实验课程，选择扎堆操作，在上交实验报告的时候直接拷贝他人的实验数据，导致实验能力严重滞后。诸如此类问题，将物联网技术引入物理实验教学中，教师通过电脑即可全面掌握学生整个实验过程，并对学生进行及时有效的指导和督促。这样不仅提高了实验效率，也可以避免了学生在实验过程中出现抄袭和损坏仪器的现象。以《空气比热容比的测定实验》为例，阐述了物联网技术在物理实验中的诸多教学研究应用价值，很好地解决了教学中出现的问题。

实验教学；空气比热容比；物联网；ZigBee；物理实验

0 引言

在目前的物理实验课程中，我们对实验数据的处理，仅仅还是眼观手记的阶段，没有对具体操作中不断变化的实验数据进行分析和处理。正是因为这样的原因，我们无法从直观上避免一些细小的操作失误来提高实验的精确度。此外，一些同学由于不重视实验课程，选择扎堆操作，导致动手能力不能得到提高以及抄袭数据的现象时有发生。随着物联网的快速发展，将物联网技术应用在物理实验教学中，是一个新的课题。我们以空气比热容比测定实验为例，对传统的实验仪器进行改造，在仪器上安装温度和压力传感器，传感器将感知到的信号转变成电信号，通过ZigBee自动组网，然后将信息上传到云服务器。老师和学生就可以直接登录网页访问云服务器从而读取实验信息。学生还可以通过电脑或手机边实验边观察不断变化的实验数据曲线图，老师也可以随时随地监测学生的实验过程情况。若学生的实验数据完全不正确，则会发出报警信息，学生在得到这些信号后可以重新调整自己的实验方案进行相关的修改。同时也可以把正确的实验数据上传到后台服务器，将直接给出相应的实验成绩。这样做不仅节省了老师和学生的大量时间，还提高了实验效率。该系统改造简单，实用性比较强，可大范围推广到其他物理实验装置的教学改造上。

1 空气比热容比的测定基本原理——绝热膨胀法

高等院校普通物理热学实验中常用的是Clement-Desarmes方法[1～2]，实验设备采用上海复旦大学科教仪器厂生产的FD—NCD空气比热容比测定仪如图1所示。

该实验原理简述如下：对于理想气体，由气体运动论可以知道，比热容比r值与气体分子的自由度数有关，r=Cp/Cv=(f+2)/f，其中f为气体分子的自由度，Cp为理想气体定压摩尔热容，Cv为理想气体定容摩尔热容，而空气中的气体分子大部分是双原子分子，所以理论上空气比热容比约为1.402.在实验操作过程中气体有三个不同的状态：状态I(P1,T0,V1)、状态II(P0,T2,V2)、状态III(P2,T0,V2)，如图2。从状态Ⅰ→状态Ⅱ(气体绝热膨胀)满足方程：P1V1r=P0V2r，从状态Ⅰ→状态Ⅲ(气体等温过程)满足方程：P1V1=P2V2，由上述两个方程可得：

r=(lgP0-lgP1)/(lgP2-lgP1)

利用该式可以通过测量P0、P1、P2值求得空气比热容比r的值[3～4]。

实验过程设置如下：按图1接好电路后，开启电源，将仪器预热，此时将储气瓶的出气活塞C2打开，然后用调零电位器把压强示值调为零。关闭活塞C2，打开进气活塞C1，用打气球将空气缓缓地输入储气瓶内，当压强大小示数为电压120mV左右时关闭活塞C1，储气瓶内气体稳定后即为状态Ⅰ(P1,T0,V1)。快速打开活塞C2，气体绝热膨胀后，压强会降至环境大气压即状态Ⅱ(P0,T2,V2)时，迅速关闭活塞C2，待储气瓶内气体稳定后即为状态Ⅲ(P2,T0,V2)，实验操作结束。

图1 测量空气比热容比实验装置

2 空气比热容比实验操作中的问题

目前气体比热容比的测定实验中存在三方面的问题。1)在气体比热容比测定的实验操作过程中，一开始可能会忘记仪器调零。2)在将空气输入储气瓶的时候打气频率可能不一致，可能在打气量远远低于(高于)120mV时就关闭进气阀C1使得稳定下来的气压P1偏小(偏大)导致r偏小(偏大)。3)打开出气阀C2放气后，可能会过晚(或过早)关闭进气阀使稳定下来的气压P2偏小(或偏大)低于(或高于)大气压导致r偏大(或偏小)，这些操作不当不仅会使实际计算结果与理论值相差甚远，而且会导致仪器的损坏。

3 基于物联网技术的气体比热容比的测定的教学研究

3.1 系统整体框架

利用物联网技术对传统物理实验的改造，其气体比热容比系统实验由储气瓶、温度传感器、压力传感器、ZigBee终端、ZigBee协调器、WiFi模块、无线路由器及电脑终端(或手机)组成，如图3所示。系统的工作流程为：1)ZigBee终端节点采集温度和压强数据并发送给ZigBee协调器；2)ZigBee协调器接收数据通过串口传输至WiFi模块，之后通过无线路由传输至云服务器；3)老师和学生登录网页访问云服务器读取学生的实验相关信息。

图3 系统整体框图

3.2 温度传感器和压力传感器部分

不同温度下空气比热容比是不相同的，会随着温度的升高而减小[6]，只有当储气瓶内温度和瓶外环境中的温度相差无几时，瓶内气体压强才能稳定，计算用的压强数据才能更准确，气体比热容比的计算结果更接近理论值。

3.3 CC2530单片机

CC2530单片机结合了业界领先的ZigBee协议栈Z-Stack，用于组建无线传感网络的系统。ZigBee网络成员分为协调器节点、终端节点和路由节点三类。终端节点以50Hz的速率采集传感器数据并无线发送给协调器节点，协调器节点接收数据后通过串口上传到WiFi模块，最终通过无线路由器上传到云服务器[7～8]。

3.4 云服务器

云服务器对上传的实验数据通过相应的算法分析并判断实验各个环节操作是否正确，若正确就对其给予实验分数及评语，否则会显示相应的报警信息。

4 基于物联网技术的气体比热容比云端算法流程分析

上述提及的气体比热容比测定实验中的五个操作中任何一个失误都会引起较大的误差，所以对实验数据的处理主要在于对这五个关键点进行分析。

图4 基本算法

算法的基本流程如图4所示。1)依次找出仪器调零时的初始位置(t1，P0)、打气量为电压120mV左右时的位置(t2，P3)、关闭进气阀后储气瓶内气体稳定后的位置(t3，P1)、放气使气体绝热膨胀后与外界大气压相等时的位置(t4，P4)、关闭进气阀后储气瓶内气体稳定后的位置(t5，P2)；2)将P1和P2带入公式计算气体比热容比r；3)对五个位置和计算所得的气体比热容比r设置相应的分数权重及评判标准；4)得出最后的总分数及实验评语。

5 基于物联网技术的气体比热容比测定实验装置图

图5 实物装置图 图6 系统登录界面

6 基于物联网技术的气体比热容比测定各情况分析

通过电脑浏览器，登录界面如图6所示，即可查询实验过程中各个环节的操作情况。以下三种典型情况一一做出说明，分别是放气过多、放气过少、放气刚好，其它情况不一一赘述。

图7 储气瓶内压强变化曲线

7 结束语

将物联网技术和应用到大学物理实验中以空气比热容比的测定实验为例，在一定程度上结合在一起旨在提升实验数据的精确度，培养学生的独立性和提高学生的动手能力，减轻老师工作量及减少仪器损坏率。另外，对后续其他物理实验仪器的改造和实验数据信息的监测具有一定的示范意义。我们将进一步以物联网技术应用到大学物理各实验教学中，为学生更好的服务。

[1]林 柕,龚镇雄.普通物理实验[M].北京:人民教育出版社,1982.

[2]王佳菱,莫长涛.大学物理实验[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005.

[3]邓 于,张家伟,吴 强.空气比热容比实验的原理和系统误差分析[J].重庆文理学院学报(自然科学版),2007,26(1):35～38.

[4]朱国良.空气比热容比测定实验设备改造和新方法探索[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2005,25(2):80～81.

[5]郝兰众,刘云杰.大学物理实验教学的现状与思考[J].科技资讯,2011,(28):219～219.

[6]常相辉,冯先富,张永文,等.不同温度下空气比热容比测量装置的研究[J].物理实验,2011,31(4):21～23.

[7]郑建颖,王 卿,孙荣川,等.基于无线传感器网络的轨道交通结构健康检测系统[J].实验科学与技术,2016,14(2):72～74.

[8]王永杰,杨小平.基于无线传感器网络的智能小区监测系统设计[J].制造业自动化.2011,33(1):68～70.

Internet of things technology applied in the teachingresearch of physics experiment——With the air experimental determination of heat capacity ratio as an example

LIU Xing-yun，LIU Xin-hao，WANG Yu-fan，ZHAI Jian-chao，YANG Huo-xiang，ZHU Guo-liang，LIU Meng-juan

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

in the physical experiment, teaching teachers can not give timely guidance to every student who have questions.if teachers have some improper in detail work such as reading and scoring reports,there will be some mistakes.part of students take no account of the experimental course ,they choose to do experiments together.some of the students are possible to copy reports of others,resulting in serious lag in the experimental ability.for these problems,if we use the Internet of things technology in physical experiment teaching,teachers can fully grasp the whole process of the experiment with computer.teachers can also give timely and effective guidance to students.It not only improves the efficiency of the experiment, but also avoids the phenomenon of plagiarism and damage to the instrument. In this paper, the experiment of measuring the specific heat capacity is taken as an example to illustrate the application with the Internet of things technology in physical experiments,.it solves these teaching problems admirably.

experiment teachingteaching; heat capacity ratio of air; Internet of things; ZigBee;physical experiment

2016—10—11

湖北省教学研究项目(2016346)，湖北师范大学校级重点教研项目(201543)

刘兴云(1973— )，男，湖北安陆人，副教授，硕士生导师，主要从事物理实验教学与研究工作，主要研究方向电子，通信，物理等应用研究.

TH89

A

2096-3149(2017)02- 0087-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.02.019