物理核心素养视角下压力传感器实验教学探究

摘要： 为提高学生的物理建模能力，教师联系生活实际，以手机压力传感器测高原海拔为情境，分析原理，开展制作简易楼层计的学生探究实验，有利于发展学生的物理学科核心素养。实践证明，结合生活恰当地运用技术开展物理教学能拓宽思路、创设情境，引导学生学以致用，提高学生的自主创新实验能力。

关键词：核心素养;压力传感器;创新实验

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）指出，物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面，这集中体现了物理学科的育人价值。如何将技术融合到物理课堂教学之中，实现学科核心素养落地，是物理教师努力研究的重要课题。《课标》明确要求：“教学中应根据本模块所学物理模型的特点，联系生产生活实际，从多个角度创设情境，提出与物理学有关的问题，引导学生讨论，让学生体会建构模型的必要性及方法。”下面，笔者结合生活实际，介绍如何科学应用MEMS传感器技术中的压力传感器开展实验活动，引导学生自主学习，发展学科核心素养。

一、关于MEMS传感器

微机电系统（Microelectromechanical Systems，简称MEMS）是在融合微电子技术与精密机械技术的基础上发展出来的工程技术。它的尺寸在1 微米到100 微米量级，包括机械、光学、电子、热学、生物等功能部件，分传感器、制动器、三维结构器件三大类。MEMS传感器作为MEMS最重要的组成部分，在MEMS技术中发展最快，一直被工业先进国家高度重视。美、日、英、俄等国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一，纷纷编制发展计划并投入巨资进行专项研究^[1]。压力传感器是影响最深远且应用最广泛的MEMS传感器，可分为压阻式、电容式与谐振式。

笔者以MEMS压力传感器作为真实情境中的实验载体，发掘教学素材，组织教学活动并以此为契机引导学生自主创新实验，促进学生物理核心素养发展。

二、问题缘起：西藏旅行中用手机记录数据

笔者赴西藏旅行，无意中用手机自带的App测量了旅途中不同处的气压、海拔值并截图保存以待日后研究，当时共记录了25组数据（见表1）。

出于好奇，笔者自问：手机测定海拔依据的是气压数值，还是依据GPS测定数值？通过一些简单的事实，笔者认定手机是通过测量气压来推算海拔的。在测量住所海拔时，笔者发现不同的时间手机显示的海拔值明显不同（可以从几十米变到一百多米，而GPS测高度的误差约十米）。笔者将手机装入有空气的透明塑料袋中，扎紧袋口，然后挤压塑料袋，使海拔值快速“改变”。另外，笔者查阅大量资料，发现手机通常是用MEMS压力传感器间接测量海拔的。

三、海拔与气压的关系探微

笔者将表1中的数据进行二次多项式拟合，得到吻合度很高的函数关系（如图1）。

二次项系数比较小，可以将这个表达式粗略看成是线性关系。一次项的系数具有独特的意义——每升高1米，气压下降0.117 6百帕。查阅资料发现：“大气压随高度而变化，在海拔2 千米以内，每升高10米，大气压约减小111帕。”二者基本吻合。教师在教授相关章节内容时，可组织有条件的学生进行相关实验（如制作楼层计）。这对巩固物理观念、激活科学思维、促发科学探究以及培养严谨的科学态度均有着积极作用。

拟合公式是根据有限的测量数据获得的，很难准确反映手机内置的气压海拔转换关系。在学生进入高中阶段后，教师可以引导他们从理论上进行更精细的建模分析，进而在教师协助下导出公式。

由图2可知，当海拔较低，手机实测数据点和等温压强公式吻合得较好，当海拔超过2 000米，二者则渐行渐远。

教师可以引导学生用温度补偿的方法对上面的算法进行修正。笔者采用的是对流层中温度海拔关系，即海拔每升高100米，温度下降0.65摄氏度，记为=△/△=0.006 5 ℃/m。

如图3所示，在大气中取一个上下表面水平的圆柱状空气薄片作为分析对象：上下表面积记为，薄片厚度记为d，下表面所受压强记为，上表面所受压强记为+d，空气密度记为，空气摩尔质量记为，为这个气体微元的物质的量。在稳定的大气中，这个薄片处于受力平衡状态，根据三力平衡规律，有如下关系成立：

再将大气看成理想气体，根据理想气体方程，对气体微元有如下公式

将考虑过温度补偿的海拔—气压公式（10）与手机实测数据点进行作图对比，发现结果吻合得很好（如图4）。这正是笔者手机中压力传感器测海拔的换算原理。

上述理论推导缘于生活中的疑惑——手机内置MEMS压力传感器是如何测海拔的？笔者结合中学物理课本中受力平衡知识、温度随海拔的线性关系、高中物理课本中理想气体状态方程以及微积分方法初步进行物理建模推演，最后“解密”手机中MEMS压力传感器测量海拔的原理。从生活现象到物理知识理论，笔者通过MEMS压力传感器这一技术的应用巧妙地将相关知识串联起来，这对突破教材局限、启发学生思考甚至激发创意火花起到催化作用。

当然，如果止步于此，尚不能充分调动和激发学生的创造力。接下来，笔者将指导学生利用气压与高度的简化关系制作简易楼层计，希望借此培养学生动手能力，同时将高中物理中的理想气体模型引入其中实现对知识的灵活运用。

四、利用气压与高度的关系设计制作简易楼层计

笔者指导学生用一只矿泉水瓶、一根吸管和标有刻度的硬纸板做一个楼层计（如图5）。首先，在矿泉水瓶侧壁靠近底部处开一个小孔，将弯头的吸管插入，用热熔胶密封好二者接触处并用胶将吸管竖直固定;然后，向瓶中倒入小半瓶自来水，滴入几滴黑色墨水后拧紧瓶盖;最后，在瓶身靠近吸管处竖直固定一个卡槽，其上装有一个紧固螺钉;将事先标定刻度的纸板插入卡槽并将所在楼层与此时管中液面对齐。此时，上下楼就可以看到吸管中的液柱随之升高或降低，并通过观察液面刻度推知当前楼层。注意：实验开始前要让此装置在实验环境中静置，使得瓶中气体和环境温度足够接近，另外不要用手碰触液面以上的瓶身，以免瓶中气体与手发生热交换而引发温度变化。由于水的比热容很大，水温一时不会有明显变化，对气体的温度影响极其有限。

下面分析基本测量原理。由于吸管截面积远小于矿泉水瓶内截面，吸管中液柱的小幅升降对瓶中液面高度几无影响。故可以认为瓶内密封气体体积不变，另外瓶内气体的温度也可以看成与环境温度一致，且在高度变化不是很大的情况下，环境温度可以近似当成等温。根据玻意耳定律，温度不变时，体积不变，瓶内气体压强也可以看成是不变的。

设某学生从位置1到位置2，高度变化了△，气压变化了△，细管中液柱高度变化了△。在上述的近似简化处理情况下，有下式成立。

在此实验环境（比如在楼梯上做实验）下，完全可以将气压看成是随高度的升高时而线性下降的，即

此式可以表征这个简易楼层计的标度原理。

当然，上述的楼层计如果出于教师之手，只能算是“自制教具”，还是在“‘器’上做文章”^[3]。如果出于学生之手，或是学生在教师点拨之下自主创新实验，则能充分地发展他们的学科核心素养。

另外，从这个楼层计的结构看，教师还可以引导学生发散思维，进而串联更多的物理知识，引发知识的联动和思维的迁移。比如，应用伽利略温度计、微小形变演示器、连通器、热辐射热传导演示器等。

生活中，教师应主动引导和鼓励学生关注身边事物，并积极运用所学物理知识尝试分析和解释，甚至对原事物进行创造性的改造，从而创造出有一定社会价值的新事物。笔者从手机的应用程序出发，经历了观察测量、猜想假设、数据处理、理论推导、实验制作等环节，将生活现象、物理规律、技术应用等有机地融合到教学之中，对如何发展学生的物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任这些素养做了构思和实践。当然，当前手机中MEMS压力传感器的普及率还不高，以学生为主体的利用手机压力传感器开展更多自主创新实验的条件还不成熟。随着技术进步和手机气压传感器的使用率进一步提高，在不久的将来，基于MEMS压力传感器的创意实验会越来越多，前景一片光明。

参考文献

[1] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011（8）： 516-522.

[2] 秦允豪.普通物理学教程·热学[M].2版.北京：高等教育出版社，2004.

[3] 汤金波，黄网官.学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器，2018（6）：3-6.

（作者詹善生系安徽省池州一中教师;汤金波系江苏省南京师大附中树人学校特级教师）