基于ESP32与Phyphox的多功能振动实验装置的设计与实验

陈剑峰

（福建省莆田第二中学，福建 莆田 351131）

物理新课程标准明确提出：注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展的需求，引导学生自主探究.强调要学会利用现代信息技术手段，引导学生去理解物理的本质，增强学生的科学探究能力和利用现代信息技术获取信息的能力，感受信息技术的力量，引导学生进行深度学习，突破传统实验教学的难点，从而落实核心素养.[1]

1 教材中的装置

鲁科版高中物理教材（2017课标版）选择性必修第1册第2章第5节的“生活中的振动”介绍了受迫振动、共振的相关知识，教会学生将物理知识与生活实际结合起来.各版本教材中的阻尼振动、受迫振动和共振实验无法准确测量固有频率、驱动频率、振动频率和振幅，只能简单演示实验现象（图1），无法深入探究.设计一套解决以上问题的装置，不仅能有效地解决“教师难教、学生难学”的实验教学难题，还能激发学生的探究意识、培养学生的创造性和逻辑思维能力，提升信息素养和学科核心素养.

图1

2 实验装置的设计与制作

2.1 实验材料

ESP-WROOM-32模块、VL53L0X（精度0.25mm）、NPN-NC激光对射开关、OLED模块、5V直流电源、安装专用实验软件的智能机（平板）、轨道、小车、轻质弹簧、直线电机、调速电路、12V直流电源、3D打印的传感器外壳、螺丝及导线等配件.

2.2 结构介绍

2.2.1 测量装置的搭建

ESP-WROOM-32模块是基于乐鑫ESP32 WIFI／双模蓝牙SoC芯片，可作为一个BLE外围设备与手机建立连接.基于ESP32搭建的数据采集系统，利用激光对射开关（NPN-NC）触发计时程序，测量周期.利用VL53L0X激光测距传感器采集位移数据.搭建流程如图2所示.

图2 测量装置的搭建流程图

2.2.2 实验装置的制作

导轨一端安装金属立柱，另一端安装可往复运动的直线电机驱动.小车的两端各系一轻质弹簧作为振子，弹簧的另一端分别固定在金属立柱和直线电机伸缩杆的前端.伸缩杆前端安装一挡光片，将激光对射开关安装在导轨侧面支架上，挡光片往复挡光触发计时程序，测量驱动周期，利用f=1／T得到驱动频率.将VL53L0X激光测距传感器安装在导轨一侧，采集小车振子的位移随时间变化曲线.

2.2.3 软件设计

Phyphox是由德国亚琛工业大学第二物理研究所（RWTH Aachen University）开发的一款免费手机APP.不仅能调用手机中的各种传感器，还能通过蓝牙外接传感器，为物理创新教具制作提供极大的便利.打开Phyphox editor软件编辑器，添加实验信息，新建图像、数值和按钮，利用Phyphox editor模块化编程搭建联系（图3），创建实验专用软件（图4），将ESP32采集的实验数据通过蓝牙传输至Phyphox端，处理数据.[2]

图3 Phyphox editor模块化编程界面

图4 专用实验软件界面

2.3 装置实物图（图5、图6）

图5 实验装置整体图

图6 驱动部分

3 实验过程

3.1 探究阻尼振动的特点

3.1.1 实验步骤

（a）组装好仪器，如图5，连接好电源，闭合传感器开关，位移调零.

（b）打开APP专用实验软件，通过蓝牙建立连接，点击开始实验实时采集数据，将小车振子推到一侧释放，让小车振子做阻尼振动，采集振子的位移随着时间变化的x-t曲线（图7）.

图7 阻尼振动的位移随时间变化曲线

（c）放大图像，利用平移和缩放、选取数据功能，记录阻尼振动每个周期的周期和振幅数据.

（d）分析数据得出结论.

3.1.2 实验数据（表1）

表1 振子做阻尼振动实验数据

3.1.3 实验结论

分析数据可以得到阻尼振动特点：周期不变，振幅逐渐减小.

3.2 探究受迫振动的周期、绘制共振曲线

3.2.1 实验步骤

（a）组装好仪器，如图5，连接好电源，闭合传感器开关.

（b）打开APP专用实验软件，蓝牙连接，点击开始实验实时采集数据，位移传感器调零.

（c）将小车振子推到一侧释放，让小车振子做阻尼振动，采集振子的x-t曲线，利用选取数据功能（可以截取多个取平均值）得到小车振子的固有频率f固.

（d）闭合开关，利用直线电机驱动，实时采集振子的x-t曲线和驱动频率，利用选取数据功能得到小车振子的频率f振、振幅A和驱动频率f驱.

（e）不断改变驱动频率，多次实验采集多组数据.

（f）分析数据，得出结论.

3.2.2 实验数据及数据处理（表2）

表2 振子做受迫振动实验数据f固=1.320Hz

3.2.3 实验结论

物体做受迫振动时，振动的周期或频率总等于驱动力的周期或频率，与物体的固有周期或频率无关.物体做受迫振动时，驱动频率与物体固有频率相差越小，受迫振动的振幅越大，如图8.当驱动频率与物体固有频率相等时，受迫振动的振幅达到最大，即共振.

图8 共振曲线

4 结束语

本项目利用ESP32与Phyphox自制生活中振动实验装置，能精确测量振动的周期（频率）、驱动频率与振幅，定量探究阻尼振动的特点、受迫振动的振动频率与驱动频率的关系、受迫振动的振幅与驱动频率的关系，突破传统实验教学的难点.现代信息技术正深刻地影响着中学物理实验教学，自制教具中融入数字化信息系统等现代化教学技术已成为新课程实施的有效途径.智能机集成了多种传感器，还能通过蓝牙外接各类传感器，因此，利用智能机开发创新实验具有很大的潜力，借助智能机开发创新教具和设计新的实验，丰富物理课程资源，让学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考，提升学生的物理思维和创新能力，有效培养学生的核心素养.