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基于ESP32单片机和Phyphox软件的实验设计与制作

在中学物理实验教学中，传统测量电池电动势和内阻的方法存在不足，如操作复杂、数据处理烦琐、实验误差较大等，影响实验教学效果以及学生对物理概念和规律的深入理解。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）要求学生掌握测量电池电动势和内阻的方法，并运用图像法处理数据，体会其在物理研究中的作用。为解决传统实验设备难以高效、精准测量的问题，笔者提出基于ESP32单片机和Phyphox软件的实验设计方案，以“实验：电池电动势和内阻的测量”为例，搭建智能化测量装置，实现对干电池和水果电池电动势与内阻的精准测量，优化实验流程，提升教学效果。

一、课标要求与实验原理

课标要求学生应掌握测量电池电动势和内阻的方法并运用图像法处理实验数据，旨在培养学生科学探究的能力，加深学生对物理概念和规律的理解，同时促进学生科学思维的发展。在中学物理实验教学中，测量电池的电动势和内阻是电学实验的基础内容之一。传统模式下，教师通常指导学生采用伏安法测量路端电压和电流，再利用闭合电路欧姆定律计算。然而，这种方法存在一些局限性，例如数据处理较为烦琐，实验误差较大，且难以实时监测数据变化。为了克服这些困难，笔者采用一种创新的方法，即利用ESP32单片机和电压、电流传感器搭建测量装置，并结合Phyphox软件进行数据采集与分析。ESP32单片机是一种高性能的微控制器，具备强大的数据处理能力和蓝牙通信功能，能够将采集到的数据实时传输到移动设备上。电压和电流传感器则用于精确测量电池的输出电压和电流。笔者将这些硬件设备与Phyphox软件相结合，让学生在移动设备上实时查看实验数据，并利用软件的图像分析功能，快速、准确地计算电池的电动势和内阻。

本实验的核心原理基于闭合电路欧姆定律，即U=E-Ir，其中U为路端电压，E为电池的电动势，I为电流，r为电池的内阻。改变电路中的电阻，测量不同电流下的路端电压，可以得到一组数据。利用Phyphox软件对这些数据进行线性拟合，得到的直线斜率绝对值即为电池内阻，截距则为电池电动势。运用这种方法不仅可以简化数据处理过程，还可以提高实验准确性和效率。参与本实验，学生不仅能够掌握测量电池电动势和内阻的方法，还能深刻理解图像法在物理研究中的应用，提升科学探究能力和数据分析能力。此外，本实验还展示了信息技术与传统物理实验的深度融合，为中学物理实验教学提供了新的思路和方法。

二、装置设计与制作流程

（一）电压、电流测量装置的设计和制作

1.器材准备

实验所需器材包括：2块ESP32单片机、2块WCMCUESP-32扩展板、若干杜邦线、2个电压传感器模块ADS1115、2块OLED电子显示屏模块、2节电压为3.7V的7号电池、2个带DC接口的电池盒和1个0.1Ω的电阻。

2.电压、电流传感器的制作

电压传感器的制作方法如下。首先，将ADS1115模块的VDD、GND针脚接入WCMCUESP-32扩展板对应的3.3V和GND端口，以保证正常供电。然后，将SCL、SDL针脚接入21、22端口，以保证数据传输。接着，将OLED显示屏模块的VCC、GND针脚接入WCMCUESP-32扩展板对应的3.3V和GND端口，并且将SCL、SDL针脚接入25、26端口，用于显示所测电压的数值。最后，将电压传感器模块的A0、A1端口作为电压测量输入端口，并接入长度适当的杜邦线，并将带DC口的电池盒接入WCMCUESP-32扩展板的Power端口，驱动整个电压传感器工作。

电流传感器的制作方法如下。先制作一个与上述相同的电压传感器，在电压传感器的A0、A1端口并联一个0.1Ω的电阻，即可改装成电流传感器，再将带DC口的电池盒接入WCMCUESP-32扩展板的Power端口，驱动整个电流传感器工作。

（二）软件设计

笔者将ESP32单片机作为蓝牙外围设备与手机连接，将ADS1115模块采集到的数据经单片机转换后发送至Phyphox软件。如何实现Phyphox软件中的数据呈现方式？笔者指导学生用PhyphoxEditor编辑器完成设计（如图1）。

三、实验测量案例

（一）课堂探究实验——测量干电池的电动势和内阻

1.实验目的

本实验旨在培养学生科学探究的基本技能，让学生深化对闭合电路欧姆定律的理解，掌握测量电源电动势和内阻的方法，体会图像法在物理研究中的作用，提升学生的科学思维和探究能力。

2.实验设计

根据闭合电路欧姆定律，将电源电动势E、内阻r与路端电压U、电流I的关系表示为U=E-Ir。实验需要测量路端电压U和电流I两个物理量，并利用作图法处理数据，得出电源电动势E和内阻r。

3.实验操作

（1）准备实验器材：2节1.5V标准干电池、1个20Ω的滑动变阻器、1个开关、若干导