鄧 蒙 張 雄 楊為民

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

林 靈

(普洱學(xué)院理工學(xué)院物理系 云南 普洱 665000)

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物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

手機(jī)軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用*

鄧 蒙 張 雄 楊為民

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

林 靈

(普洱學(xué)院理工學(xué)院物理系 云南 普洱 665000)

手機(jī)軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用越來(lái)越普遍，運(yùn)用手機(jī)軟件輔助教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).本文主要介紹了PASCO的sparkVUE手機(jī)軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，演示了利用sparkVUE手機(jī)測(cè)量圓周運(yùn)動(dòng)中繩子的拉力以及單擺運(yùn)動(dòng)的周期.教學(xué)實(shí)踐表明，這種新穎有趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法提高了課堂效率.

手機(jī) sparkVUE軟件 物理實(shí)驗(yàn)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教師的教學(xué)活動(dòng)越來(lái)越多媒體化，不再局限于講授、做實(shí)驗(yàn)，教師可以利用多媒體從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)上直觀(guān)地描述物理現(xiàn)象，從而為學(xué)生們呈現(xiàn)出一個(gè)更豐富多彩的物理世界.現(xiàn)在僅借助多媒體也無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生和教師的需要，所以一種新的輔助工具被介紹到我們的教學(xué)中，那就是手機(jī)軟件.本文將為大家介紹sparkVUE軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用.

sparkVUE是PASCO公司推出的一款教育類(lèi)軟件，該軟件可以安裝在iPhone，iPod touch和iPad上.利用該軟件，教師可將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，尤其在物理教學(xué)中，我們可以利用該軟件分析物體的受力情況，運(yùn)動(dòng)的物體的加速度、速度，顯示聲波，同時(shí)還可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理.把該軟件安裝在iPhone手機(jī)上，這樣我們就可以隨時(shí)隨地利用該軟件進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn).本文主要介紹sparkVUE軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的具體運(yùn)用.

1 研究小球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)繩子的張力

sparkVUE可以與70多個(gè)傳感器相連，利用不同的傳感器可以測(cè)出不同的物理量，比如溫度、力的大小以及聲波，在這里主要是利用力傳感器和該軟件分析物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)繩子所受的拉力，并對(duì)垂直于水平面和平行于水平面所做的圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比.教師在授課時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往很難理解物體做垂直于平面的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體所受到的繩子拉力大小的改變，然而利用該軟件可以真實(shí)地反映出繩子的拉力大小，并且該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易操作，學(xué)生可以自己動(dòng)手做，自己分析解決問(wèn)題，從而加深學(xué)生的理解和記憶.

首先準(zhǔn)備1個(gè)小球，1根尼龍繩，1個(gè)力傳感器，1個(gè)iPhone手機(jī)，藍(lán)牙以及1根玻璃管(直徑為2～3 mm,長(zhǎng)度為5～6 cm).接著打開(kāi)手機(jī)里的sparkVUE找到“實(shí)驗(yàn)”這一欄，按右上角的“+”，將會(huì)制造一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將測(cè)量設(shè)置為“力”，單位為“N”，再設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)時(shí)間.之后將藍(lán)牙與手機(jī)相連，再將藍(lán)牙另一端與力傳感器連接，傳感器的掛鉤拴上一根繩子，并且使繩子穿過(guò)玻璃管，接著在繩子的另一端系上小球，如圖1所示，一只手拿著玻璃管使小球在平行于水平面的方向上運(yùn)動(dòng)，首先讓小球做速度較慢的圓周運(yùn)動(dòng)，接著加快速度，當(dāng)小球達(dá)到勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，按下手機(jī)上的開(kāi)始鍵，這樣我們就可以看到小球在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，手機(jī)上也同步顯示出繩子所受的拉力大小.從sparkVUE繪制的圖表中我們可以知道小球在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩子所受到的拉力是保持不變的.

圖1 小球在平行于水平面的方向上做圓周運(yùn)動(dòng)

再用同樣的方法來(lái)測(cè)量小球在垂直于水平面的方向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩子所受的拉力.同樣把手機(jī)、傳感器、繩子等物體連接起來(lái)，此時(shí)一只手也要拿著玻璃管，只不過(guò)與上個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)玫姆绞讲煌鐖D2所示，這樣小球就能在垂直于水平面的方向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng).從sparkVUE繪制的圖表里可以看到物體在豎直方向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)繩子所受的拉力隨時(shí)間而改變，并且物體運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)繩子所受的拉力最小，運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)，繩子所受到的拉力最大.

圖2 小球在垂直于水平面的方向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

2 利用sparkVUE測(cè)量iPhone手機(jī)的單擺周期

在單擺實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量單擺周期是通過(guò)秒表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即把物體拉離豎直方向一個(gè)小角度，手放開(kāi)繩子，當(dāng)物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)按下秒表，并開(kāi)始數(shù)數(shù)，用秒表讀出的時(shí)間除以單擺次數(shù)即可得到單擺周期.這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量要求學(xué)生必須仔細(xì)盯著小球，認(rèn)真數(shù)數(shù)，一旦數(shù)錯(cuò)就要重做實(shí)驗(yàn)，然而利用sparkVUE可以很好地解決該問(wèn)題.iPhone手機(jī)內(nèi)部的加速計(jì)和sparkVUE結(jié)合起來(lái)就可以測(cè)量物體在x軸、y軸以及z軸方向上的加速度.在這里利用x軸上的加速度的周期性來(lái)找出iPhone手機(jī)的單擺周期，首先打開(kāi)軟件，把測(cè)量設(shè)置為“加速度，y”，單位為“m/s/s”,設(shè)置頻率為“50 Hz”，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為“60 s”[1].需要注意的是這里的x軸方向是豎直方向.

把手機(jī)放在一個(gè)手機(jī)包里，用一根繩子拴住手機(jī)包的左右兩邊，接著把繩子掛在鐵架臺(tái)上，調(diào)整繩子使手機(jī)包平行于地面，再拿出手機(jī)按下開(kāi)始鍵，并且迅速地放在手機(jī)包里，把在最低點(diǎn)的手機(jī)包拉開(kāi)一小段距離，使其與豎直方向成一個(gè)小角度，然后輕輕地釋放，手機(jī)包開(kāi)始做單擺運(yùn)動(dòng)，直到60 s后停止運(yùn)動(dòng).在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)單擺周期的數(shù)據(jù)也被收集在PASCO的光電門(mén)定時(shí)器模型ME-9215B里[2].

圖3 iPhone手機(jī)的單擺周期分析

3 手機(jī)軟件sparkVUE在物理實(shí)驗(yàn)中的其他運(yùn)用

sparkVUE這款軟件除了可以在物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)物理量進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可以對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這就要利用sparkVUE內(nèi)置的統(tǒng)計(jì)工具,用該工具即可得到多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等.并且可用圖表、柱狀圖、模擬儀或表格直觀(guān)地顯示數(shù)據(jù).當(dāng)然有的實(shí)驗(yàn)時(shí)間很短，我們很難觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)，此時(shí)用集成攝像頭把實(shí)驗(yàn)過(guò)程拍攝下來(lái)，再利用sparkVUE的圖片分析功能即可對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析.

本文只是大致介紹了sparkVUE在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，該軟件還有許多其他功能可以幫助我們的物理教學(xué).

身為一名教師，我們的知識(shí)不要僅局限在課本上，還應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，不斷地探索，適當(dāng)?shù)亟栌靡恍┹o助工具不僅可使課堂變得更有效率，而且更能吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.當(dāng)然教師也需熟練地掌握這些輔助工具，這就要求教師“活到老，學(xué)到老”,只有通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)，教師才能提供給學(xué)生最新的教學(xué)信息.

1 JustinBriggle. Analysis of pendulum period with an iPod touch/iPhone..Physics Education,2013

2 Photogate Timer Model ME-9215B,PASCO scientific 2011 http://store.pasco.com/pascostore/showdetl.cfm?&DID=9&Product_ID=50682&groupID=351&page=Manuals

3 吳月江.用數(shù)碼相機(jī)研究自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng).教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2008(12):18

4 蔡兆峰.談?wù)勵(lì)l閃攝影.初中生世界(八年級(jí)物理版),2013(1):51

5 Haber Schaim U, Dodge J H, Gardner R,etal. PSSC Physics.7.Kendall Hunt Pub Co,1991:60

*國(guó)家教育部高等學(xué)校“專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項(xiàng)目“物理學(xué)專(zhuān)業(yè)”資助.

鄧蒙(1992- )，女，研究生在讀，主要研究方向?yàn)閷W(xué)科教學(xué)(物理).指導(dǎo)教師：張雄(1956- )，男，教授，主要研究方向?yàn)閷W(xué)科教學(xué)(物理)和天體物理.

2015-10-13)