基于Arduino平台创新实验教具

赖毅标 卢佳文 张宁 高永伟

摘   要：基于Arduino电子平台，应用LM-35温度元件与KY-024霍尔元件，自制实验教具。测得在不同电流条件下螺线管内温度与磁感应强度的变化，探究了磁体磁性与温度之间的关系并解释其原因。该自制教具弥补了传统已有实验的不足并扩展了实验教学的途径。

关键词：Arduino；安培分子假说；霍尔效应；自制教具

高中物理人教版选修3-1第三章“磁场”中，介绍磁现象、磁感线、磁感应强度、安培分子电流假说等概念。磁学是高中物理中的重要部分，其中的电磁实验更是教学过程中的重难点。传统教学中教师运用铁屑、回形针描述磁感线分布与磁场强度大小的关系，这些教具仅能定性地演示磁現象，定量实验则需要昂贵且操作复杂的数字化显示仪器与实验设备[ 1 ]。在实际教学中，受到实验仪器与条件等因素限制，教师难以对磁现象进行定量研究，这导致学生虽然能观察到电与磁之间的宏观现象，却无法理解微观视角下磁现象的电本质[ 2 ]。

针对以上教学问题，本文基于“Arduino”开源平台与其兼容元件模块改进实验装置，将物理教学与现在科学技术相结合，促进学生理解电与磁的联系。既普及了人工智能与信息技术，又培养学生实践能力与创新意识。

1  Arduino 开源平台介绍

Arduino是一款便携的开源电子原型平台，能通过各种元件输出模拟信号、数字信号来感知和反馈环境[ 3 ]。运用Arduino编程语言编写烧录程序从而控制各个元件的内容调用，可以制作各种类型的传感器。本实验采用的开发板是Arduino UNO，该平台包括13个数字信号端口、5个模拟信号端口、USB接口、直流电源接口、电源输入与输出端口等，如图1所示。可以通过连接各种元件模块实现对各种物理量进行测量与采集，元件模块不仅质优价廉，而且种类繁多、功能强大。目前可兼容的模块有89种，包括温湿度模块、PM2.5模块、超声波模块、霍尔元件模块等。

如果能应用科学探究方法，合理地组合各模块与配件，Arduino及其兼容模块可以满足大多数中学物理实验所需，帮助教师创设直观的教学情境，激发学生学习兴趣，使学生更好地理解对应知识[ 4 ]。

2  实验元件模块介绍

2.1  霍尔元件模块及其原理

霍尔效应原理如图2所示。载流导体薄板放在方向垂直于它的磁场中时，通过载流导体的电子在洛伦兹力的影响下进行偏转，导致电荷聚集形成电场与电势差。当电子受到电场力与洛伦兹力达到平衡状态时，则会形成一种垂直于电流和磁场的方向上的稳定电压——霍尔电压，如公式①②③④所示。式组中Vh为霍尔电压，IS为霍尔元件的工作电流，Kh为霍尔元件的灵敏度，n为载流子浓度。

霍尔元件KY-024是根据霍尔效应制作的一种磁感应强度传感器。工作电压V0为直流5.20 V，IS工作电流为4.1 mA，Kh灵敏度为10 mV/mT，测量范围为-100～100 mT。它是由电压调整器、霍尔电压发生器、电压差分放大器和集电极输出脚针等部分组成的磁敏传感电路，通过霍尔电压发生器中的霍尔元件将接收到磁感应强度信息转换数字电压信息。其脚针与探口如图3所示，脚针从上至下分别是器件数字信号输出电压为V0的电源负、正极接口、模拟信号输出。接通电源并烧录程序后，将具有霍尔元件的探头近待测磁场，可以通过模拟信号输出脚针得到包含磁场信息的电压值。

KT-024霍尔元件模块工作原理如图4所示，将工作电压V0（5.20 V）的霍尔元件放入待测磁场区域，它受到磁场影响，产生霍尔电压Vh。并根据串联电路的电压特点，如公式⑤，通过信号输出脚针输出电压VB。由公式①④⑤得出该区域的磁感应强度数值大小B。

VB=V0+Vh⑤

2.2  温度元件模块及其原理

热敏电阻是一种微敏元件，根据温度系数的不同可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。在工作温度范围内，电阻值会随着温度的上升而产生线性增加或减少，温度与电阻的关系如公式⑥⑦所示。式组中Rt为当前温度下电阻值，R0为0摄氏度时的电阻值，α为温度系数，t为摄氏度温度值，Vt为当前温度下电压值，I为工作电流。

Rt=R0（1+αt）⑥

Vt=IRt⑦

LM-35温度模块是线性正温度系数热敏电阻元件，工作温度区间为-55～125 ℃，工作电压为直流5 V。它是由温度系数振荡器，温度信息储存器和集电极输出脚针等部分组成。其脚针如图5所示，从上至下分别是模拟信号输出、电源正、负极接口。接通电源并烧录程序后，将带有热敏电阻的一端放置在待测环境中，得到输出电压Vt。由Arduino开发板对数据进行处理，如公式⑥⑦，可得出当待测环境中温度数值t。

3 实验装置设计

3.1  实验内容

利用Arduino开发板、KT-024霍尔元件和LM-35温度元件自制实验装置，探究温度对磁体磁性的影响。

3.2  实验器材

本实验装置主要由5 V直流电源、16 V直流电源、电流表、滑动变阻器、100匝螺线管、LM-35温度元件模块、KT-024霍尔元件模块、LCD数字显示屏、Arduino Uno、两组单刀双掷开关及若干导线组成。

3.3  实验装置及其原理

实验原理电路图如6所示，该实验装置电路由控制电路与测量电路构成。控制电路通过两组单刀双掷开关改变电流方向及滑动变阻器的有效阻值，从而控制通电螺线管内的磁场方向、大小。KT-024霍尔元件模块与LM-35温度元件模块的探头将采集到的磁感应强度和温度转化为电信号，并传输给Arduino开发板进一步分析与处理，最终将处理后的磁场强度和温度大小输出到LCD显示模块进行显示。

3.4  实验操作及注意事项

实验具体操作步骤如下：

（1）依据实验原理图连接线圈、Arduino开发板、KT-024霍尔元件模块及LM-35温度元件模块，如图7所示；

（2）观察各电源指示灯是否正常，LCD显示屏是否点亮，多次检查各电路是否连接完整；

（3）检查无误后，Arduino的USB接口与电脑相连接，设计对应程序并进行烧录；

（4）记录室温，接通控制电路，读取LCD显示屏中温度及与其对应磁感应强度的数值，采集数据。当温度达到60 ℃时，停止记录并断开螺线管电源；

（5）当温度传感器示数恢复至室温时，通过滑动变阻器改变螺线管内磁感应强度大小，再次测量。重复此操作，并记录3～5组数据；

（6）利用Matlab 2021b软件分析实验数据并绘制B-T图像；

在实验过程中，需检查实验环境中是否其他磁体的干扰，尽量让磁场方向与霍尔元件的测量面垂直，并稳定放置在螺线管的中心。每当观察到温度示数变化时，再对温度及与其对应磁感应强度数值进行记录。此外，实验温度不能超出元件模块工作温度区间，防止高温对设备产生不可逆的破坏。

3.5  核心程序设计

void loop（） {

lcd.setCursor（0， 0）;

U=analogRead（A0）; //读取KT-024霍尔元件模块输出的模拟电压值VB

U=U/100;

lcd.print（U）; //在LCD屏上打印出电压值的大小

lcd.print（"V"）;

B = （analogRead（A0）-520）/4.100; //将电信号转换为磁场强度的大小

lcd.setCursor（7， 1）;

lcd.print（B，3）; //在LCD屏上打印出电场强度的大小

lcd.print（"mT   "）;

lcd.setCursor（7，0）;

T=（5*analogRead（A1）*100）/1024; //将电信号转换为温度的大小

lcd.print（T）; //在LCD屏上打印出温度的大小

lcd.print（"C     "）;

delay（200）;

}

4  數据处理与结论

依据恒定电流下温度T与磁感应强度B的数值样本，应用Matlab软件进行数据分析并绘制B-T图像。表1是在温度环境25.4 ℃，通过2 A电流的螺线管内部温度与对应磁感应强度的数值。其中T为LM-35温度元件模块输出温度数值，B为KT-024霍尔元件模块输出磁感应强度数值。

通过上述探究过程，发现在一定温度范围内物体的磁性会随着温度的升高而减小。有效地论证了安培分子电流假说的正确性：当磁体受到高温时，内部分子电流取向变得杂乱，磁体磁性减弱或失去磁性。

5 创新与不足

对比其他数字化显示仪器与实验设备，Arduino及其兼容元件模块相对价廉物美，操作简单。仅需掌握少数几个指令，即可组合出功能多样的实验设备。设计与烧录的程序可通过网络平台迅速调用，并保存在其储存器内，从而应用于多种物理实验中。将Arduino融入中学物理教学，不仅可以满足实验需求、提升教学效果，还能提高学生实验探究能力和培养学生创新思维。

Arduino及其兼容元件模块虽然功能强大、种类繁多，但精确度较低。如本实验中使用的LM-35温度元件模块，其测量精度为0.5 ℃，数据浮动较快，无法提供实验高精度的准确数值，但仍然能够得到大致的实验结论，满足中学物理实验定性与半定量的需求。

6 结语

将Arduino平台引入中学物理实验，应用自制数字化磁感应强度与温度传感器，能够高效、直观地揭示了磁体的磁性与温度联系，验证安培分子假说的正确性。其次，弥补了传统实验定量实验的不足，填补了电磁实验的空缺，充分展示科学技术与物理实验的有机结合，为物理教学提供多样化的实验方式。

参考文献

［1］ 何学美，朱福菊，王酉顺，等.利用可视化物理模型突破中学物理疑难概念教学：以“磁通量”为例[J].物理通报，2022（3）：48-52.

［2］ 胡世龙.注重物理实验创新  凸显实验教学功能：以“自制电磁铁磁性测量仪”为例[J].中学物理，2021，39（14）：23-25.

［3］ 金书辉，郑燕林，张晓.高中Arduino机器人课程学习现状调查与分析[J].中国电化教育，2017（12）：115-120.

［4］ 翁浩峰.无线速度传感器：基于Arduino和Flash的无线DIS实验[J].物理教学，2014，36（7）：26-28.