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挑战2【BOSON】冰雪融化实验及BOSON防水温度传感器试用
rzyzzxw rzyzzxw 2019-03-05 18:57:50
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1
简单

盼望着,盼望着,东风来了,春天的脚步近了。 

一切都像刚睡醒的样子,欣欣然张开了眼。山朗润起来了,水涨起来了,太阳的脸红起来了。 

小草偷偷地从土里钻出来,嫩嫩的,绿绿的。园子里,田野里,瞧去,一大片一大片满是的。坐着,躺着,打两个滚,踢几脚球,赛几趟跑,捉几回迷藏。风轻悄悄的,草软绵绵的。 

桃树、杏树、梨树,你不让我,我不让你,都开满了花赶趟儿。红的像火,粉的像霞,白的像雪。花里带着甜味儿;闭了眼,树上仿佛已经满是桃儿、杏儿、梨儿。花下成千成百的蜜蜂嗡嗡地闹着,大小的蝴蝶飞来飞去。

野花遍地是:杂样儿,有名字的,没名字的,散在草丛里,像眼睛,像星星,还眨呀眨的。 “吹面不寒杨柳风”,不错的,像母亲的手抚摸着你。风里带来些新翻的泥土的气息,混着青草味儿,还有各种花的香,都在微微润湿的空气里酝酿。

鸟儿将巢安在繁花嫩叶当中,高兴起来了,呼朋引伴地卖弄清脆的喉咙,唱出宛转的曲子,与轻风流水应和着。牛背上牧童的短笛,这时候也成天嘹亮地响着。 

雨是最寻常的,一下就是三两天。可别恼。看,像牛毛,像花针,像细丝,密密地斜织着,人家屋顶上全笼着一层薄烟。树叶儿却绿得发亮,小草儿也青得逼你的眼。傍晚时候,上灯了,一点点黄晕的光,烘托出一片安静而和平的夜。

在乡下,小路上,石桥边,有撑起伞慢慢走着的人,地里还有工作的农民,披着蓑戴着笠。他们的房屋,稀稀疏疏的在雨里静默着。 

天上风筝渐渐多了,地上孩子也多了。城里乡下,家家户户,老老小小,也赶趟儿似的,一个个都出来了。舒活舒活筋骨,抖擞抖擞精神,各做各的一份事去。

“一年之计在于春”,刚起头儿,有的是工夫,有的是希望。 春天像刚落地的娃娃,从头到脚都是新的,它生长着。 

春天像小姑娘,花枝招展的,笑着,走着。 

春天像健壮的青年,有铁一般的胳膊和腰脚,领着我们上前去。

春天来了,冰雪融化。

做一个冰雪融化实验吧,器材好找,材料好找,知识密集,可以做成一个STEAM课程。

实验计划: 

用micro:bit试用BOSON防水温度传感器 冰雪融化实验,选择合适器材,为后面水的沸腾实验做基础。

(用Arduino、DS18B20 防水温度传感器备用)

材料清单 材料清单
1x
micro:bit
1x
micro:bit Boson扩展板
1x
BOSON防水温度传感器
1x
铁架台
1x
烧杯
1x
温度计
1x
乐高颗粒
1x
冰水混合物

软件平台:mind+

[学习资料]

凝固点是晶体物质凝固时的温度,不同晶体具有不同的凝固点。在一定压强下,任何晶体的凝固点,与其熔点相同。

同一种晶体,凝固点与压强有关。凝固时体积膨胀的晶体,凝固点随压强的增大而降低;凝固时体积缩小的晶体,凝固点随压强的增大而升高。在凝固过程中,液体转变为固体,同时放出热量。所以物质的温度高于熔点时将处于液态;低于熔点时,就处于固态。

非晶体物质则无凝固点。

 凝固特点 晶体凝固特点: 达到一定温度才开始凝固; 凝固时温度保持不变; 凝固时固液并存; 凝固一定放热。

 非晶体凝固特点: 凝固时温度持续下降; 凝固时放热。 凝固点和熔点的区别 熔点是指晶体由固态转为液态的临界温度,凝固点是晶体由液态变成固态的临界温度。所以,这两个点都是晶体在统一临界状态下的温度。

同一种物质的熔点和凝固点是同一个温度,只不过是考虑的物态变化方向不同,从而叫出了不同的名字,当物质从固态变化为液态时,叫熔点;当物质从液态变化为固态时,这个温度叫凝固点。

 凝固点(熔点)改变的因素 压强 平时所说的物质的熔点(凝固点,下同),通常是指一个大气压时的情况;如果压强变化,熔点也要发生变化。熔点随压强的变化有两种不同的情况。对于大多数物质,熔化过程是体积变大的过程,当压强增大时,这些物质的熔点要升高;对于像水这样的物质,与大多数物质不同,冰熔化成水的过程体积要缩小 (金属铋、锑等也是如此) ,当压强增大时冰的熔点要降低。 

溶有杂质 如果液体中溶有少量其他物质,或称为杂质,即使数量很少,物质的熔点(凝固点,下同)也会有很大的变化。例如水中溶有盐,熔点(固液两相共存并平衡的温度)就会明显下降,海水就是溶有盐的水,海水冬天结冰的温度比河水低,就是这个原因。饱和食盐水的熔点可下降到约-22℃。

【技术准备及造型指导】

感谢DF工程师技术支持 玩转BOSON防水温度传感器http://makelog.dfrobot.com.cn/project/article?aid=991

 防水温度传感器

    

projectImage

防水温度传感器是一款防水的温度传感器,在测量远处温度和环境比较潮湿的情况下,该传感器能发挥极大的作用,适用于电冰箱等冷冻、冷藏环境中的温度检测、室内和机电设备温度检测、土壤温度检测、热水箱温度控制等场景中。 

 原理介绍 

 该传感器的探头采用热敏温度传感器套头,由导热性高的密封胶灌封而成,保证了传感器的高灵敏性和极小的温度延迟,芯片本身每个引脚均用热缩管隔开,防止短路;使用优质不锈钢管封装,实现防水、防潮、防生锈的功能。

 

需要注意的是:虽然该产品能够在125°C下正常工作,但由于缆线是由聚氯乙烯(PVC)材料制成的,没有传感器耐热,因此我们建议不要将其放在温度高于100°C的地方。

 microbit编程用法: 

 下面来学习在Mind+中micro:bit控制防水温度传感器的使用方法。 首先将防水温度传感器和Micro:bit及BOSON扩展板如下图所示连接起来。 

projectImage

前面我们了解到,防水温度传感器是采用热敏温度传感器探头,因此Micro:bit读取到的值需要经过一系列公式换算,才能得到温度值。 

 代码如下:

projectImage

实验目标:

 使用micro:bit+BOSON防水温度传感器测试冰雪融化时的温度。 

尝试自动记录数据值并绘制温度变化曲线。 

备选方案: 

使用arduino + BOSON防水温度传感器测试冰雪融化时的温度。

使用micro:bit + DS18B20 防水温度传感器测试冰雪融化时的温度 

使用arduino + DS18B20 防水温度传感器测试冰雪融化时的温度(DS18B20 防水温度传感器已经添加在mind+,可以很方便的使用)。

projectImage

Mind+(基于Scratch3.0)图形化编程 

1、下载及安装软件。下载地址:http://www.mindplus.cc 

2、切换到“上传模式”。

3、“扩展”中选择“主控板”中的“Arduino Uno”,“传感器”中加载“DS18B20温度传感器”。 

4、进行编程,程序如下图:

 5、菜单“连接设备”,“上传到设备”

 6、程序上传完毕后,打开串口即可看到数据输出。

projectImage

初步计划加热方法(后面为了实验数据更稳定,同时无法保证水浴温度放弃): 为缩短实验时间,计划采用水浴加热,水浴加热时受热均匀,便于观察及数据采集。

projectImage

【水浴法】先在一个大容器里加上水,然后把要加热的容器放入加入水的容器中。加热盛水的大容器通过加热大容器里的水再通过水把热量传递(热传递)需要加热的容器里,达到加热的目的。 

 因为在一标准大气压下且水无任何杂质,水达到沸点的条件是100摄氏度,但是从液态变到气态还需要吸收更高的热量。在水浴法里,烧杯里的水在变成水蒸气前都只能有100摄氏度的温度,无法为试管里的水提供更多的热量,所以试管内的液体是不能沸腾的。所以常常利用这种温度不改变的原理对一些需要定温加热的反应进行水浴加热。 

水浴法的优点 优点是使物体受热均匀,减慢熔化过程,便于观察。部分试验中不会导致暴沸的现象。 因为酒精灯的火焰温度高达几百摄氏度,若实验中直接用酒精灯的火给物质加热,则无法记录和观察物质的熔化过程。水浴法则不会。 

步骤1 步骤1
标定传感器

经过前面技术准备,对上面所述三种器材方案都进行了组合测试,(当然不同组合所得数据均有误差,最好与以温度计为标准进行标定。) 选定的组合为: micro:bit+BOSON防水温度传感器 

用电脑串口记录数据并进行数据分析 

 我计划用温度计对防水传感器读数标定一下。 

程序

projectImage
projectImage

取冰水混合物,将传感器和温度计放入冰水混合物中相同位置。

projectImage

温度计读数-1 传感器读数为0.2+

程度上改为-1.5

projectImage
步骤2 步骤2
实验中的弯路

实验中走了一些弯路。

思考记录在另一个帖子。

http://mc.dfrobot.com.cn/thread-274943-1-1.html

这里只记下最终结果,因为设备不能保证水浴温度,后面放弃了这一部分实验的数据。

1、水浴温度无法保证。 2、在测试中改变传感器姿态时出现数据较大幅度改变(传感器灵敏),甚至达到1度,而温度计一直稳定(反应慢)在0度。(准备再次校准传感器) 3、故意同时改变温度计及传感器时,出现了读数双双下降情况,看来不同部位温度果然有差异(前面实验中也有这个发现)。

projectImage
步骤3 步骤3
重回自然融化

一路踩坑一路坑。

 改10秒记录一次 

16:10开始到20:50,少量浮冰存在,液体内部温度已稳定在0度以上(两个计量器读数一致,液面温度应该还低)。

从串口读取数据窗口复制数据到电子表格。

最后的数据如下图:

projectImage
projectImage
projectImage

【实验小结】

 1、纯水的冰水混合物的温度在标准大气压下为0度,通常的冰水混合物并不是纯净物,也不在1标准大气压下,测试温度通常低于0度。

 2、冰在融化时吸热溶化成水,在整个过程中温度低于0度,然后0度的水继续吸收热量温度升高。

 3、实验中控制变量,用科学的态度,尊重事实,敢于置疑,查找资料,解决问题。

 4、学生实验时建议温度采集为10秒(或更多)一次。

 5、冰水混合物中不同层次温度也的差异,因为冰密度小在水面,所以水面温度更低。 6、如果要加热,不要急,均匀受热很重要。

【实验反思】用传感器在这个实验中的意义是什么?我有点迷惑。

 用温度计读数记录描点画图同样可以得到实验结果,我用了这么大力气,得到同样的结论有什么意义呢,后面想来,意义在于尝试创客教育与学科教育的结合,运用数据自动记录功能进行数据采集,并方便进行数据分析。 

如果用这样的方法开展教学活动,松散而要自律,大班课一定是不行的。

 如果开展小规模stem教学活动,再增加那些环节来指导学生。 

对于习惯传统教学的学生,如何引导学生自觉搜索各种资料尝试解决困难完成最后一个并不高大上项目,或者指导学生开展一些有社会意义的项目。 

这个简单实验也花了我不少精力,如果是探索未知领域,反复的实验,不断的失败,真正是对一个人耐力和科学精神的考验。 

代码分享:https://gitee.com/csq5277/WaterproofTemperatureSensor.git

Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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