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        利用手機研究簡諧運動

        2014-12-01 01:55:26
        物理實驗 2014年4期
        關(guān)鍵詞:鐵夾物質(zhì)量彈簧

        沈 昊

        (1.蘇州大學(xué) 物理與光電·能學(xué)部,江蘇 蘇州215006;2.梅李高級中學(xué),江蘇 常熟215500)

        智能手機在近幾年中發(fā)展迅速,兩大手機軟件平臺IOS及Android出現(xiàn)了各類軟件,其中有一些對物理教學(xué)有很大幫助,特別是運用于手機中的精密傳感器,為一些物理實驗提供了新的方法及思路[1-6].筆者以Sparkvue軟件為例對彈簧振子及單擺的運動周期進行研究.

        1 Sparkvue軟件介紹

        Sparkvue(圖1)是由PASCO公司針對IOS平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)采樣軟件,可通過蘋果應(yīng)用商店免費下載[7].軟件可以利用iPhone,iPad,iTouch內(nèi)部傳感器測量實時加速度并進行記錄,如果外接PASPORT AirLink 2藍牙配件還可以測量pH值、溫度、力、氣體濃度等,該軟件為物理量的測量提供了快捷有效的手段.

        圖1 Sparkvue圖標

        圖2 Sparkvue軟件界面

        圖3 加速度測量方向選取

        本文只介紹采用iPhone自帶傳感器對手機運動加速度的測量.進入Sparkvue軟件(圖2)可對實驗進行新建及命名,在加速度測量方向上可選擇3個方向x,y,z.以iPhone5為例(圖3),x方向是沿著手機寬所在的方向,y方向是沿著手機長所在的方向,z方向是與手機屏幕所在面垂直的方向.測量加速度值可以m/s2為單位或以重力加速度g的倍數(shù)進行記錄.采樣頻率可以自行選擇,最低為5Hz,最高可達100Hz.測量的時間長短也可以自由設(shè)置.當開始測量時,軟件會在手機屏幕上進行加速度與時間關(guān)系圖的繪制(圖4).實驗完成后數(shù)據(jù)可以通過軟件自身以.csv格式發(fā)送到電子郵箱中,實驗者可以通過Excel或SPSS等數(shù)據(jù)處理軟件打開并對其進行數(shù)據(jù)分析.

        圖4 a-t曲線

        2 用手機測量彈簧振子振動周期

        2.1 實驗器材與設(shè)備

        iPhone手機(已安裝Sparkvue)、電腦、天平、砝碼、鐵架臺、鐵夾、細線.具體實驗過程如下:

        1)用天平稱手機及鐵夾(作振子)的總質(zhì)量.

        2)打開手機中Sparkvue軟件并新建實驗進行命名,選擇加速度測量方向為y方向,采樣頻率為50Hz,數(shù)據(jù)記錄單位為m/s2,采樣時間可設(shè)為60s.

        3)將彈簧豎直自然懸掛在鐵架臺上,用鐵夾夾住手機上端并用細線懸掛在彈簧下方(圖5),微調(diào)手機及鐵夾方向,使手機豎直下垂(可通過觀察Sparkvue軟件中測出x,z方向的加速度是否接近于零,判斷手機是否豎直下垂).

        圖5 測量裝置

        4)打開Sparkvue軟件,選擇新建的實驗并點擊開始,沿豎直向下給手機施加拉力,使彈簧拉伸一定長度,放開手機,手機會隨彈簧上下自由振動,觀察手機屏幕上描畫出的測量曲線.

        5)等待60s后取下手機,在軟件中對測量數(shù)據(jù)進行命名保存并發(fā)送到電子郵箱中.

        6)改變彈簧下端所懸掛物的質(zhì)量或更換彈簧重復(fù)上述過程,進行多次實驗.

        7)整理儀器,在電腦中開郵箱下載實驗所獲得的.csv文件,進行數(shù)據(jù)分析研究.

        2.2 實驗數(shù)據(jù)分析處理

        以其中2次實驗結(jié)果分析作介紹.

        圖6 m=138.6g時,y方向的a-t圖

        圖7 m=238.6g時,y方向的a-t圖

        3 進行單擺周期測量

        由于用1根單線很難使手機保持豎直并且不打轉(zhuǎn),因此本實驗用雙線擺替代.

        3.1 實驗器材與設(shè)備

        實驗器材為:iPhone手機(已安裝Sparkvue)、電腦、天平、砝碼、鐵架臺、架子、細線.實驗過程如下:

        1)用天平稱出質(zhì)量.

        2)打開手機中Sparkvue軟件并新建實驗進行命名,選擇加速度測量方向為x方向,采樣頻率為50Hz,數(shù)據(jù)記錄單位為m/s2,采樣時間可設(shè)置60s.

        3)將雙線固定在鐵架臺上,雙線另一端固定在手機兩側(cè)(圖8),調(diào)整手機保持豎直(可通過觀察Sparkvue軟件中y和z方向的加速度是否接近零).

        圖8 用雙線固定手機

        4)用直尺測量出雙線擺等效擺長.打開Sparkvue軟件,選擇所新建的實驗并點擊開始,使手機及擺線與豎直方向成一小角度,無初速度釋放手機讓其自由擺動,觀察手機屏幕上描畫出的測量圖線.

        5)等待60s后取下手機,在軟件中進行數(shù)據(jù)命名保存并發(fā)送到自己電子郵箱中.

        6)改變擺長或改變懸掛物質(zhì)量重復(fù)上述過程,進行多次實驗.

        7)整理儀器,在電腦中開郵箱下載實驗所獲得的.csv文件,進行數(shù)據(jù)分析研究.

        3.2 實驗數(shù)據(jù)分析處理

        圖9中懸掛物質(zhì)量m=121.5g,測量擺長L=0.765m,周期為相鄰波谷之間時間間隔2倍,平均值為T=1.73s.圖10為改變懸掛物質(zhì)量為m=235.2g,擺長仍為L=0.765m,由圖可得平均周期為T=1.74s.根據(jù)單擺周期公式T=2π代入當?shù)刂亓铀俣瓤捎嬎憷碚撋现芷跒門=1.75s.

        圖9 m=121.5g時,x方向的a-t圖

        圖10 m=235.2g時,x方向的a-t圖

        4 實驗的優(yōu)缺點

        經(jīng)過多組實驗發(fā)現(xiàn)實驗測量結(jié)果與理論值都很接近.Sparkvue軟件在周期測量方面直觀而又精確,除了能得到所需要的周期之外,還可以對運動過程中每一時刻的加速度進行研究,這對簡諧運動的教學(xué)有很大幫助.但是利用手機做實驗無法消除自身形狀對實驗造成的影響,在改變振子及懸掛物質(zhì)量時也不太容易操作,在單擺實驗中,手機自身的擺動也會對實驗精度造成影響.這些都需要對實驗進行進一步改良.

        5 結(jié)束語

        隨著科技的進步,手機不僅僅是人們的通信工具.利用Sparkvue軟件還可以研究生活中的一些物理現(xiàn)象,例如人跑步時及汽車運行過程中的加速度、坐電梯時超重失重現(xiàn)象等.這些都能提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,同時也能培養(yǎng)學(xué)生收集及處理數(shù)據(jù)的能力.總之,科技進步給我?guī)淼母淖兌贾档梦覀冴P(guān)注,我們的物理教學(xué)也應(yīng)當與時俱進.

        [1]鄭少燕,林淑淇,李德安,等.基于PASCO系統(tǒng)的加速度研究[J].物理實驗,2013,33(4):12-13.

        [2]梁婷,項華.視頻分析法在物理教學(xué)中應(yīng)用-用手機GPS導(dǎo)航體驗生活中的運動[J].物理教師,2013,34(6):21-33.

        [3]侯聰玲.基于Android系統(tǒng)控制的藍牙智能車研究[J].物理實驗,2013,33(7):43-44,48.

        [4]周艷麗,王揚威,王超,等.滾擺運動的研究[J].物理實驗,2013,33(9):34-36,40.

        [5]劉茂軍,肖利.物理教學(xué)法實驗與中學(xué)物理實驗銜接問題的研究[J].物理教師,2012,33(6):1-3,8.

        [6]Pendrill A M,Rohlén J.Accelerationand rotation in apendulum ride,measuredusing an iPhone 4[J].Phys.Educ.,2011,46(6):676-681.

        [7]PASCO Instruction manual and experiment guide for the PASCO scientific model ME-9215Bphotogate timer 012-06379BManual(Roseville,CA:PASCO scientific)[Z].23-5.

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