基于Phyphox构建物理创新实验平台

詹善生 梅晓璇 汤金波

近年来，对中学物理电学实验设计、操作、数据处理和误差分析的考查，经常见诸高考物理试卷。电学实验灵活多变，命题者设计实验多是围绕伏安法进行的。如果教师对传统电压表和电流表进行数字化改造，那么很多传统电学实验教学的提质增效、创新电学实验的孕育生发将水到渠成、事半功倍。笔者用ESP32通用芯片及ADS1115高精度数模转换模块采集传感器原始数据，以phyphox为数据显示终端，搭建了以伏安法为核心测量方案的中学物理创新实验平台。该平台具有移动性强、参与性好、性价比高等特性，有成为中学师生电学创新实验通用设备的潜力。

一、Phyphox物理创新实验平台简介

Phyphox是一款手机应用软件，它能很好地提取智能手机内置的MEMS传感器采集到的数据。师生利用智能手机和Phyphox做实验，可极大地拓展学生的实验操作空间。但该软件在物理教学、研究、应用方面也存在不足：缺少与传统物理实验教学的有效整合策略，教学价值有待进一步挖掘；缺少自定义创新实验的系统开发，受Arduino编程技术门槛限制，进展缓慢；实验结果精度不一，受手机自身传感器灵敏性影响较大[1]。笔者设计Phyphox物理创新实验平台（以下简称平台）的目的之一就是契合传统实验教学目标，突破传统实验技术瓶颈。另外，笔者以伏安法为思维路径整体设计平台，使自定义实验开发具有系统性，为相关系列实验的设计提供支撑。平台借助通用芯片ESP32和高精度数模转换模块ADS1115的强大技术功能，突破了手机自身传感器灵敏度限制，同时以蓝牙传输，将实验数据采集端与数据的显示和处理终端分开，极大地提高了实验时的移动自由度和手机安全性。

（一）平台的硬件构成（材料准备）

平台由两块ESP32、两块ADS1115、5 V锂电池供电模块（内置升压板）、安卓一母二公数据线、面包板、杜邦线构成（如图1）。

（二）平台的环境搭建与实验操作

平台环境搭建与实验操作基本步骤如下。

第一步：将ESP32与电脑连接，在电脑Arduino IDE（可以在Arduino官网下载到电脑安装）中配置好环境和程序并点击上传烧录（扫码获取代码和详细操作方法）。

第二步：用Phyphox扫描二维码，添加本文案例中涉及的自定义实验。

第三步：将ADS1115和ESP32连接起来（如图2）。A0为电表正极，A1为电表负极，电表默认为量程±3 V，精度为1 μV的高精度电压表。操作者在引脚间并入已知定值电阻并进行换算即可改造出电流表。

第四步：将ADS1115的A0（＋）和A1（－）接入（包含各种传感器的）外电路，用安卓数据电源线给ESP32通电，启动phyphox自定义实验项目，开始接收实验数据。

第五步：在Phyphox中对实验数据进行拟合分析，或者导出到电脑端进行分析，得出实验结论，开展误差评估，优化实验设计。

（三）平台的应用优势

平台具有如下优势：其一，由于加入了ADS1115，数据精度得到极大提高，完全能够满足中学物理实验的需要；其二，借助ADS1115，可以方便地测量负电压、负电流，直接采集低频的交流信号；其三，数据实时采集和显示，效能与专业传感器实验平台相当，但成本低廉，可以极大降低各类学校部署平台的资金压力；其四，实验项目还可以上传到Phyphox官网上进行在线二次编辑，具有极大的灵活性，能满足师生后续高阶创新实验需求。

简言之，平台的竞争力体现在低成本地搭建了高质量的以智能手机为移动显示终端的可二次设置的交直流电压表和电流表，凡是基于伏安法设计的实验都可以借此完成，具有很好的扩展性。

二、基于平台的创新实验示例

（一）测量地磁场

在实验室内，地磁场是非常好的匀强磁场。根据交流发电机模型可知，如果线圈在地磁场中匀速旋转，就会产生较为标准的正弦式交流电。师生通过平台测量出感应电动势，进而测得当地地磁场磁感应强度（如图3）。

实测发现，师生用上述方法测量出的结果非常符合直接用手机内置的磁力计测量的结果（如图4），相对误差稳定控制在2%以内。为了方便操作，笔者仅用一个ESP32和一个ADS1115（图1中的一半器材，电源用更小的锂电芯）构建系统，使得平台体积缩小，置于数据处理盒中（线圈的两个线头从中空转轴穿过与平台的A0、A1引脚连接）。

实验证实平台采集数据测量电压的精度很高，对于微特斯拉级（μT）的弱电磁场也能准确测量。平台的数据采集功能得到成功应用。

（二）探究楞次定律

使用实验器材（如灵敏电流计）观测感应电流有诸多不便，如指针晃动不便于学生观察，磁电式仪表指针和线圈体惯性及电磁阻尼都会影响最终实验结果的呈现。笔者利用平台很好地解决了                                                                                            上述問题，直接连续测量感应电压或者测感应电流（当作电流表使用时引脚并联定值电阻），并用图表呈现在手机端。平台之外的实验装置和某次实验结果如图5所示。

系统生成了磁铁从线圈上方穿入和穿出过程感应电动势随时间变化数据图表。教师利用此装置可以让学生方便地观察磁极反转、磁铁运动、线圈运动、线圈匝数对感应电动势的影响。借助投屏，课堂上学生快速采集实时数据、清晰从容地观察数据，其效果是传统实验器材无法达到的。需要指出的是，ADS1115的A0、A1引脚间电阻高达数百兆欧姆，电压表性能非常理想。引脚间不并联定值电阻时测出的值可以直接视为感应电动势的数值。

（三）探究电容器充放电规律

笔者将ADS1115的A0、A1引脚并联一个定值电阻R，用测得的电压除以R的阻值，得到电路中的电流。这样，一台精密的电流表就制作完成。学生用它来探究电容器的充放电规律，效果极佳。实验器材连接及实验数据如图6所示。

上述案例中，学生使用平台的测量电流功能，成功捕捉到电容器充放电电流的规律。教师还可以指引学生参与拓展活动，例如探究电路电阻、电容是如何影响充放电进程的。

（四）测量电源电动势和内阻

师生单独使用电压表功能或电流表功能，平台性能优越，表现良好。如果要同时测量两个电学量，可通过双蓝牙采集数据进行实验，即让两套ESP32独立运行，收集的数据再经Phyphox汇总，实现多路传感器信息的融合。这样就可以极大地增强实验平台的扩展能力。下面以中学物理电学中的核心实验——测量电源电动势和内阻为例，来检验平台的性能。实验装置与实验数据如图7所示。

笔者对伏安特性曲线进行线性拟合（如图8），得到函数关系I=-0.071U+0.109，改写成U=1.535-14.08I。等效电源电动势和内阻的测量值分别为1.535 V和14.08 Ω，电动势与多用电表直测值吻合（因为电池盒上串联了一段13 Ω的电阻丝，故电压表接口到电源两端的杜邦线电阻以及电池本身内阻之和应在1.08 Ω左右）。从电动势的结果看，相对误差在1.4%以内，这表明，平台在融合传感器数据方面表现依然出色。

教师开展测量电源电动势和内阻的实验教学，如果用传统实验器材，不仅操作烦琐、读数时人为因素多，而且电路通电时间长，会导致电源内阻以及电路电阻因为温度等因素改变引起数据漂移（水果电池更是如此），影响测量精度。笔者借助平台来操作此实验，数据采集过程只需十秒钟左右即可全部完成（电阻丝上滑动触头从一端移动到另一端的时间），克服了上述困难。本案例证明平台在同时输入两路独立的电压、电流信号时，性能良好且稳定。

三、总结

综上，Phyphox中学物理创新实验平台具有优良的性能和数据融合处理能力。理论上，一切基于电压和電流测量的实验都可以在平台上进行，当然包括伏安法思维指引下的所有实验。有了这个平台，学生可以从机械地采集与处理数据的工作中解放出来，专注于实验设计的创新与数据处理方法的创新，使思维品质得到更有效的锻炼。平台在外接不同传感器时向学生呈现的就是一种实物化的物理学认识路径。

此创新实验平台完全可以成为中学物理学生自主创新实验的孵化器，成为所有人的探索和创新的技术工具。在这种低成本高精度不限时间、不限空间的随身“移动传感器实验室”支持下，师生可将实验创意随时随地转变为现实操作和测量，提高实验效率。

注：本文系北京物理学会2022—2023年度教育科研立项课题“基于Phyphox移动实验的物理学认识方式的研究”（课题批准号：WLXH222007）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 张绮梦，李德安.国内外Phyphox应用于物理教学的研究与展望[J].物理通报，2022（7）：153-159.

（作者詹善生系安徽省池州市第一中学教师；梅晓璇系北京市和平街第一中学教师；汤金波系江苏省南京师大附中树人学校特级教师）

责任编辑：祝元志