張振

(寧波市鄞州高級(jí)中學(xué) 浙江 寧波 315194)

手機(jī)作為現(xiàn)代生活的隨身用品，其功能已不僅僅是打電話發(fā)短信，而是越來(lái)越智能化．利用手機(jī)，可以照相、上網(wǎng)、娛樂(lè)等，給人們的生活帶來(lái)了很大的方便．而在筆者看來(lái)，如今的手機(jī)還是一個(gè)可隨身攜帶的物理小實(shí)驗(yàn)室，利用其強(qiáng)大的硬件、豐富的軟件，各種聲、光、距離、重力、加速度、磁場(chǎng)、氣壓、溫度、濕度等傳感器，可以設(shè)計(jì)制作很多物理實(shí)驗(yàn)，不僅方便，還能大大激發(fā)學(xué)生探究物理的興趣和熱情．

本文就利用安卓操作系統(tǒng)的智能觸屏手機(jī)，結(jié)合部分軟件，做一些簡(jiǎn)單易行的物理實(shí)驗(yàn)，供大家參考．

1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 各種基本測(cè)量

在手機(jī)中下載一款“超級(jí)瑞士軍刀”的軟件，該軟件基于手機(jī)自帶的各種傳感器和硬件等，設(shè)計(jì)了不少應(yīng)用，如圖1所示．

圖1 手機(jī)自帶的各種傳感器的圖標(biāo) 圖2 基本測(cè)量工具

如利用基本測(cè)量工具，可以測(cè)量物體的長(zhǎng)度、角度；利用水平儀可以判斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是否水平，如圖2所示.

利用鉛垂線結(jié)合攝像頭可以判斷是否垂直或與豎直方向的夾角.如圖3所示，為利用該功能研究安培力大小時(shí)線框的偏轉(zhuǎn)角.還可以根據(jù)軟件的操作說(shuō)明，估測(cè)目標(biāo)物體的高度、距離等，如圖4所示為筆者用該功能估測(cè)的教學(xué)樓高度；這些功能對(duì)于輔助物理實(shí)驗(yàn)提供了很大的便利．

圖3 鉛垂線測(cè)量 圖4 估測(cè)目標(biāo)物體的參數(shù)

1.2 超失重的研究

現(xiàn)在的智能手機(jī)基本都帶有加速度傳感器，重力感應(yīng)器等．在手機(jī)中下載一款叫“AndroSensor”的軟件，可以用數(shù)字、圖像等形式顯示手機(jī)自帶的各種傳感器的測(cè)量值．

實(shí)驗(yàn)一：下蹲起立過(guò)程的超、失重情況

圖5

打開軟件中加速度傳感器測(cè)量值的動(dòng)態(tài)曲線圖，能顯示XYZ三方向的加速度變化情況，我們只研究豎直方向，故將手機(jī)面朝上水平手持，先下蹲，過(guò)一小段時(shí)間起立，可以得到如圖5的曲線，若以初始水平線為零參考面，很明顯可以看到下蹲過(guò)程加速度先為負(fù)后為正(即方向先向下后向上，先失重后超重)，同理起立過(guò)程加速度先正后負(fù)(即方向先向上后向下，先超重后失重)，十分直觀．

實(shí)驗(yàn)二：自由落體、豎直上拋和下落

還是利用這個(gè)動(dòng)態(tài)曲線圖，水平手持手機(jī)，使其自由下落后用手接?。缓髮⑹謾C(jī)面朝上豎直向上拋出，并在下落時(shí)將其接?。傻萌鐖D6所示的曲線，通過(guò)圖像，不僅可以看到一小段水平線是指穩(wěn)定下落時(shí)的加速度g，還可以看到拋出和接住這一小段時(shí)間內(nèi)手機(jī)加速減速的情況，一目了然，這比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)生的興趣，提高實(shí)際問(wèn)題的分析能力．

圖6

1.3 慣性實(shí)驗(yàn)

在手機(jī)下放一張紙，并將手機(jī)置于桌子邊緣，迅速水平抽出紙張，手機(jī)幾乎未移動(dòng)，當(dāng)然也就沒(méi)有摔落地面．相比傳統(tǒng)用木塊等，手機(jī)基于其貴重和脆弱，更能突出實(shí)驗(yàn)效果的有驚無(wú)險(xiǎn)．

1.4 機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波

實(shí)驗(yàn)三：聲音產(chǎn)生的原因

將手機(jī)調(diào)成振動(dòng)放于桌面，用另一手機(jī)撥打，可聽(tīng)到桌面因手機(jī)振動(dòng)而發(fā)出聲音，用手摸桌面，可明顯感受到桌面的振動(dòng)，說(shuō)明聲音是由振動(dòng)而產(chǎn)生的．

實(shí)驗(yàn)四：機(jī)械波傳播需要介質(zhì)

將手機(jī)調(diào)成響鈴和振動(dòng)，通過(guò)細(xì)線掛于一個(gè)玻璃罩內(nèi)，用另一個(gè)手機(jī)撥打，可聽(tīng)到玻璃罩內(nèi)手機(jī)的鈴聲和振動(dòng)聲．將玻璃罩內(nèi)抽成真空，再次撥打，可看到玻璃罩內(nèi)的手機(jī)在響鈴、振動(dòng)，但玻璃罩外的人卻聽(tīng)不到聲音．說(shuō)明聲音等機(jī)械波不能在真空中傳播，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)．

1.5 利用GPS測(cè)速度

現(xiàn)在智能手機(jī)基本都帶有GPS模塊，結(jié)合軟件，可以導(dǎo)航，測(cè)速，定位等，可謂功能強(qiáng)大．將手機(jī)隨交通工具攜帶，打開“AndroSensor”軟件，可以得到該交通工具實(shí)時(shí)的瞬時(shí)速度和所在位置的經(jīng)緯度等信息，圖7(b)中Speed：3.6 Km/h為筆者行走時(shí)大致的瞬時(shí)速度．

要說(shuō)明的是，由于GPS有一定的滯后性，不能用于精確測(cè)速，但可以估測(cè)較遠(yuǎn)距離間運(yùn)動(dòng)的平均速度和大致的速度變化情況等．

1.6 利用GPS估算地球半徑

圖7

1.7 多普勒效應(yīng)

用手機(jī)打開一段音調(diào)不變的聲音文件(可事先錄音)，將手機(jī)移近或遠(yuǎn)離耳朵，可感受到音調(diào)的高低變化，可知波源和觀察著之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源頻率不變，而接受到的波的頻率改變．

2 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1 電磁波可在真空中傳播

在上述“機(jī)械波傳播需要介質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)中，抽成真空的玻璃罩內(nèi)的手機(jī)依然能接收到信號(hào)，而且也可以看到手機(jī)屏幕上的畫面，說(shuō)明電磁波可以在真空中傳播．

2.2 電磁波的屏蔽

實(shí)驗(yàn)五：一個(gè)開口的金屬罐內(nèi)放入手機(jī)，用另一手機(jī)撥打，能接通．再將金屬罐的蓋子密閉封緊，再次撥打，將無(wú)法接通，說(shuō)明電磁波被金屬罐屏蔽．

實(shí)驗(yàn)六：將手機(jī)放于金屬網(wǎng)罩內(nèi)，用另一手機(jī)撥打，可接通．

結(jié)論：很多人把實(shí)驗(yàn)五認(rèn)為是靜電屏蔽，通過(guò)實(shí)驗(yàn)六可以很明顯發(fā)現(xiàn)，其實(shí)不是．電磁波屏蔽的原理不同于靜電屏蔽．簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)接不通是因?yàn)殡姶挪ū唤饘傥?、反射．而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)由于金屬間隙較大，電磁波被金屬吸收，反射很少，大量衍射，故能接收到信號(hào)．

2.3 電阻屏與電容屏

兩個(gè)觸屏手機(jī)A和B，手持塑料筆，點(diǎn)擊屏幕，A手機(jī)有響應(yīng)，而B手機(jī)毫無(wú)反應(yīng)．當(dāng)用手指近乎無(wú)擠壓地輕微接觸屏幕，A手機(jī)無(wú)反應(yīng)，而B手機(jī)有響應(yīng)．這是怎么回事呢？

原來(lái)A手機(jī)是電阻式觸摸屏，而B手機(jī)是電容式觸摸屏．其原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電阻屏通過(guò)壓力感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕內(nèi)容的操作和控制．電容屏在觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)，手指與導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，從而準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置．所以，電容屏反應(yīng)更為靈敏，手機(jī)的觸摸體驗(yàn)更好．這類現(xiàn)象已出現(xiàn)在部分考題中，要是做過(guò)此類實(shí)驗(yàn)，理解自然更為深刻．

2.4 探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)弱

智能手機(jī)基本都帶有磁場(chǎng)傳感器，可以設(shè)計(jì)如下小實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)七：打開指南針，可以判斷周圍空間的磁場(chǎng)的方向．如圖8演示的是通電環(huán)形線圈沿中心軸線的磁場(chǎng)方向．

圖8 判斷磁場(chǎng)方向

實(shí)驗(yàn)八：由于“AndroSensor”軟件只能顯示XYZ三方向的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，不能顯示合磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化曲線，所以筆者下載了一款叫“Tricorder”的軟件，該軟件同“AndroSensor”一樣功能強(qiáng)大，可以通過(guò)傳感器探測(cè)很多信息，并可顯示空間磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況．打開軟件選擇磁場(chǎng)，打開Scan，并將手機(jī)水平沿通電線圈的中心軸線勻速穿過(guò)去[圖9(a)]，從軟件界面可實(shí)時(shí)得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況[圖9(b)]．

圖9 顯示空間磁場(chǎng)的變化

3 光學(xué)實(shí)驗(yàn)

3.1 “捕捉”紅外線

一般遙控器前段都有一個(gè)“小燈”，但平時(shí)即使按鍵使用遙控器時(shí)，也從來(lái)不會(huì)看到它發(fā)光[圖10(a)]．現(xiàn)將遙控器對(duì)準(zhǔn)攝像頭，按鍵使用遙控器，在手機(jī)屏幕上可以看到那個(gè)從來(lái)不亮的點(diǎn)竟然發(fā)光了[圖10(b)]．這是怎么回事？

圖10 “捕捉”紅外線

原來(lái)遙控器發(fā)射的一般是紅外線，而紅外線頻率不在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，肉眼當(dāng)然看不見(jiàn)，而攝像頭的感光范圍大于人眼，可以“捕捉”到紅外線．要說(shuō)明的是，絕大多數(shù)手機(jī)的攝像頭都可以拍攝到紅外線，但并不是所有手機(jī)都能實(shí)現(xiàn)，有些攝像頭裝了特殊的濾鏡就不行．

3.2 偏振現(xiàn)象

打開手機(jī)屏幕，將一塊偏振片放于手機(jī)屏幕上，旋轉(zhuǎn)偏振片，透過(guò)偏振片可看到手機(jī)屏幕的明暗變化，有時(shí)幾乎透明[圖11(a)]，有時(shí)幾乎完全不透光[圖11(b)]．

圖11 手機(jī)屏幕上觀察偏振現(xiàn)象

這是因?yàn)樵谑謾C(jī)液晶屏中有偏振片，手機(jī)屏幕發(fā)出的是偏振光，再通過(guò)一個(gè)偏振片，自然可以觀察到光強(qiáng)的變化．在生活中，其實(shí)絕大多數(shù)液晶顯示屏發(fā)出的都是偏振光，如計(jì)算器，液晶電腦顯示器，液晶電視等，可以用一塊偏振片加以驗(yàn)證，現(xiàn)象非常明顯．

利用這個(gè)原理，可以很方便地用手機(jī)驗(yàn)證市面上某些太陽(yáng)鏡的鏡片是否真是偏振片．另外要說(shuō)明的是，個(gè)別高端手機(jī)屏幕比較特殊，可能不能明顯觀察到此類現(xiàn)象．

4 結(jié)束語(yǔ)

其實(shí)手機(jī)的各個(gè)硬件，無(wú)不包含了各種物理原理，而且高端手機(jī)搭載的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等更可用來(lái)測(cè)量海拔高度，研究飽和氣壓和環(huán)境溫度的關(guān)系等．可以預(yù)見(jiàn)，今后手機(jī)也必將出現(xiàn)更多新的傳感器，硬、軟件功能也將更為強(qiáng)大，這會(huì)給我們生活帶來(lái)更大便利．同時(shí)這也給物理教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)提供了更多的素材．本文僅拋磚引玉，以期有更多、更好、更巧妙的實(shí)驗(yàn)，利用隨身攜帶的手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)．