基于Phyphox的欧姆定律实验教具创新

摘要

基于Phyphox物理实验交互式软件设计了一套用于探究初中物理电学实验的教具。以电学实验中欧姆定律这一重要知识点为例，整套实验教具创新性地采用电子显示屏替代传统的机械电表，同时利用Phyphox软件，可以在电学实验的测量过程中，直接处理相关实验数据，并将其绘制为实验图像，从而更加直观地得到实验结果，理解实验规律。

Graphical abstract

关键词

电学实验 / 初中物理 / Phyphox软件 / 欧姆定律 / 实验教具

初中物理电学板块的教学以大量的电学实验为基础，要求学习者从设计电路、选择元件、搭建电路、实验探究、分析数据等多方面掌握知识。但电学量往往抽象，不如力学知识可从生活体验中学习，因此，学生在初次接触时学习难度较大，特别是在利用电表等工具读取到相关电学量后，难以从测量的数据中推理、论证电学规律。究其原因，是学生难以利用数学工具构建物理图像。因此，如果能在实验采集数据的同时，形象地显示电学量之间的关系图像，将有助于学生分析、寻找电学规律^［1］。

在物理实验教学领域，通过各类传感器搭配智能设备被广泛应用在声、热、力、电^［2-3］等物理实验教学中，借助信息技术，可大大提高实验教学的简便性和实验效率，提升实验的可视化程度。为了克服传统电学实验教学中实验数据测量困难、读取烦琐、数据分析难度大等不足，提升电学实验的可视化程度，笔者利用Esp32单片机系统结合Phyphox软件，以手机等智能设备作为显示媒介，搭建基于Phyphox软件的初中物理电学实验教学的创新教具，主要叙述以伏安法为核心的欧姆定律的实验探究。

1 设计原理及仪器介绍

1.1 设计原理

该套创新教具主要针对电学实验中的欧姆定律这一重要的物理知识点进行设计，选取定值电阻和小灯泡作为研究对象，探究研究对象电流与电压之间的关系。在实验中，以探究电流与电压的关系为例，按照图1所示的电路图，搭建好欧姆定律的实验探究电路。在实验中，通过改变滑动变阻器，可以多次改变研究对象两端的电压数值，以及通过研究对象的电流数值。

如图2所示，基于Phyphox的电学实验装置在已搭建好的实验电路基础上，引入Esp32单片机系统作为该套创新教具的数据处理中枢。实验电路将电学量数据传递到Esp32单片机上，Esp32单片机系统一方面连接小型的电子屏幕，实时监测电路中的电学量数值的变化，解决了传统电学实验需要反复对电流表、电压表读数的烦琐步骤。另一方面，通过蓝牙传输，Esp32单片机系统可以将相关的电学量数据发送到特定的移动设备上，设备上已安装的Phyphox软件可以通过预设程序，将采集到的电流、电压数据进行处理，实时描点并绘制成欧姆定律的关系曲线，减少了实验者对实验数据处理的负担，同时大大提升了电学实验的数据可视化程度，有助于实验者直接观察实验结果，分析实验数据，得到实验规律。

1.2 Phyphox软件简介

Phyphox软件不仅可以依托手机内置的传感器进行声、光、力、热等方面的物理实验测量，还可以通过蓝牙或者Wi-Fi进行数据传输，该软件还可以实现外置传感器与手机进行交互式的数据分析。

笔者以欧姆定律的实验探究教具为例，通过Esp32单片机系统驱动电学量的传感器，可以采集电路中的电压、电流等相关数据，并通过蓝牙传输到手机上。在Phyphox软件上，通过编程，可设置好相关的物理图像界面。每次记录数据，可以在坐标图像内显示对应的数据点，并显示相关电学量的具体测量数值。

1.3 实验装置简介

基于Phyphox的欧姆定律实验探究教具如图3所示。

2 基于Phyphox的欧姆定律实验探究

在实验中，采用10 Ω的定值电阻和小灯泡作为对照对象。主要目的是探究不同研究对象两端的电压与经过它的电流之间的关系。实验结果如图4所示，通过不断改变滑动变阻器的数值，可以改变研究对象的电压和电流，同时进行记录读取。在Phyphox软件上，会显示对应的数据点。从图4发现，定值电阻与小灯泡的实验曲线明显不同，在完成实验测量的基础上，可借助Phyphox软件对实验数据进行定量分析。

为了进一步清晰定值电阻与小灯泡的电流与电压的关系，在测量的实验数据中，选取关键点位上的电流和电压数值进行分析。对于定值电阻而言，电流与电压的数值呈现正比关系曲线。但是对于小灯泡而言，并不满足欧姆定律。这一结论在传统的欧姆定律实验探究中需要学生进行烦琐的实验测量与数据记录才能分析得到，通过基于Phyphox的欧姆定律实验教具，只需更换测量对象，便可以在同个坐标轴下进行实验数据的对比，大大简化了实验过程，提升了数据可视化的程度。

3 结语

基于Phyphox的欧姆定律物理实验探究教具利用Esp32单片机结合电子显示屏，可实时检测并显示电路中的电流、电压等电学量数值的变化，克服了传统电学实验中需要利用机械电表进行烦琐测量以及读数的不足。此外，笔者创新性地采用了Phyphox物理实验交互式软件辅助教学，实验者可以在电学实验的测量过程中直接处理相关实验数据，绘制物理图像，从而更加直观地得到实验结果，理解实验规律。

参考文献

[1] 聂应才，钟小欢.“Arduino+Phyphox”软件助力电学实验［J］.教育与装备研究，2023，39（05）：77-82.

[2] 庄伟杰，刘平，陈新玲.声现象实验教学创新与可视化提升［J］.中学物理，2022，40（03）：53-55.

[3] 庄伟杰，陈新玲，罗礼勇.基于热致变色溶液的焦耳定律实验装置改进与定量探究［J］.中学物理，2024，42（04）：40-42.