Arduino 验证气体实验定律

这是 Athanasios Gkourmpis 发表在 2023 年 12 月《The Physics Teacher》的一篇论文。

这篇文章主要使用了 Arduino Uno 板结合 BMP 280 气压传感芯片验证气体实验定律。

Arduino 微控制芯片由于其低成本和快速精确测量的优点，越来越多的物理实验室在使用 Arduino。其庞大的社区资源使得学生几乎可以自学，在学习过程中，学生还可以获得 STEM、自动控制、机器人等项目的技能。

文章使用的 BMP 280 气压传感芯片可以测量温度和大气压的数值，进而验证理想气体状态方程，如图1 所示。

气体实验定律分为三个：

在 BMP 280 气压传感芯片引出四根杜邦线，分别链接芯片的 VCC，GND，SDA 和 SCL 引脚，如图2 所示。

从针筒橡皮活塞处穿过并密封好，如图 3 所示。

在 Arduino IDE 中编写程序并进行测量。

1. 等温变化

将装置放在 289.5 K 的环境下，针筒的体积为 12mL，通过软管连接另一个包含 8mL 空气的针筒（即，总体积约为 20 mL）。刚开始将针筒拉至体积为 32 mL，以 4mL 依次递减并进行测量，如图 4 所示。

测试结果如图 5 所示。

2. 等体变化

令针筒的提及为 12 mL，加入不同温度的水，测量 8 组压强数据，如图 6 所示。

3. 等压变化

等压变化的装置和图 4 类似，气体温度通过热水改变，让针筒活塞自由移动，当活塞静止时达到平衡，此时活塞内气压和外界大气压相等，实验数据如图 7 所示。

要控制压强不变，在活塞自由移动时应该减少活塞与管壁间的摩擦力，管壁使用玻璃或涂润滑油不失为一种方案。

这篇文章使用 Arduino + BMP280 芯片验证气体实验定律，这可以帮助学生和教师轻松精确地完成各种实验，这也可以当作 STEM 的一个案例，不仅能激发学生的学习动机，还能让学生学到基础电子学、计算机编程等各种知识。