江敏麗 吳先球

(華南師范大學(xué)物理電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

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用智能手機(jī)探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象

江敏麗 吳先球

(華南師范大學(xué)物理電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

利用智能手機(jī)自帶的加速度傳感器，借助相應(yīng)手機(jī)軟件得到電梯升降過(guò)程中加速度隨時(shí)間變化圖像，解決了體重計(jì)或彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)瞬即逝、不方便記錄分析的問(wèn)題.同時(shí)，還可以利用牛頓第二定律對(duì)超重、失重現(xiàn)象蘊(yùn)含的物理規(guī)律進(jìn)行探究.通過(guò)實(shí)踐，讓學(xué)生理解產(chǎn)生超重與失重現(xiàn)象的條件和實(shí)質(zhì).

智能手機(jī) 超重與失重 加速度傳感器

1 引言

超重與失重，既是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用，又是日常生活中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象.2012年高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的共同必修模塊物理1對(duì)超重與失重的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)要求為，通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象，并提出活動(dòng)建議，通過(guò)各種活動(dòng)，例如乘坐電梯，到游樂(lè)場(chǎng)乘坐過(guò)山車等，了解和體驗(yàn)失重和超重.對(duì)于超重與失重現(xiàn)象，學(xué)生常常認(rèn)為物體的重量隨運(yùn)動(dòng)情況變化而變化，物體是超重還是失重由速度方向決定，物體超重失重的程度由速度大小決定[1]，由學(xué)生的前概念出發(fā)提出超重與失重的教學(xué)難點(diǎn)是：理解超重與失重現(xiàn)象的力學(xué)本質(zhì).

常規(guī)教學(xué)中為突破這一教學(xué)難點(diǎn)，教師們一般會(huì)采用乘電梯上升和下降過(guò)程中，讓學(xué)生觀察體重計(jì)的示數(shù)變化，或者在電梯中掛彈簧測(cè)力計(jì)，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變化.在課堂中讓學(xué)生指出示數(shù)如何變化，為何變化，逐步引導(dǎo)出超重、失重現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，解釋力學(xué)本質(zhì).因此，利用日常生活中的電梯、體重計(jì)或彈簧測(cè)力計(jì)以及適當(dāng)?shù)闹匚锱浜?，就可在電梯升降全過(guò)程中進(jìn)行超重與失重現(xiàn)象的定量或定性觀測(cè).

但是，在電梯加速或減速過(guò)程中，物體超重或失重時(shí)體重計(jì)和彈簧測(cè)力計(jì)顯示的結(jié)果多是轉(zhuǎn)瞬即逝，因此，分析超重、失重現(xiàn)象很困難，效果不佳，體驗(yàn)過(guò)程中不方便學(xué)生記錄，需要另外拿錄制設(shè)備錄下來(lái)到課堂上觀察[2].

為了突破這一教學(xué)難點(diǎn)，本文提出借助智能手機(jī)自身攜帶的加速度傳感器，探索電梯中的超重與失重現(xiàn)象，在乘坐電梯上升或下降的時(shí)候，將變化的加速度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，通過(guò)圖像形象生動(dòng)地顯示，讓學(xué)生充分理解及解釋超重與失重現(xiàn)象.

2 智能手機(jī)傳感器

智能手機(jī)具備多種傳感器，可以檢測(cè)加速度、磁場(chǎng)、光、聲等各類非電信號(hào)，對(duì)周圍環(huán)境的力、熱、聲、光、電、磁等物理量進(jìn)行從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的測(cè)量，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，供人們分析使用.實(shí)驗(yàn)借助加速度傳感器軟件 (Physics Toolbox Accelerometer)，探測(cè)手機(jī)沿3個(gè)方向(x軸，y軸及z軸)加速度的實(shí)時(shí)變化，并以圖像形式顯示出來(lái)[3].(說(shuō)明：安卓手機(jī)通過(guò)“應(yīng)用匯”或“谷歌市場(chǎng)”等軟件市場(chǎng)可免費(fèi)下載各種手機(jī)傳感器驅(qū)動(dòng)軟件.)

3 智能手機(jī)加速度傳感器演示電梯超重失重現(xiàn)象

3.1 實(shí)施過(guò)程

安裝加速度傳感器軟件后，將智能手機(jī)充當(dāng)測(cè)量工具.進(jìn)入電梯隨著其一起上下運(yùn)動(dòng)，觀察電梯在1樓和4樓間上升和下降過(guò)程中加速度的變化情況.

(1)將智能手機(jī)在電梯正中間水平放置，啟動(dòng)加速度傳感器軟件，由于只探究電梯豎直方向上的加速度變化，因此需要點(diǎn)擊右上角設(shè)置，只顯示豎直方向(z軸)的加速度變化，如圖1所示.

圖1 設(shè)置只顯示z軸圖像

(2)按運(yùn)行按鈕(圖2中的“三角形”按鈕)，并記錄數(shù)據(jù)(圖2中的“Record”按鈕)，顯示豎直方向上加速度的即時(shí)變化.(若需方便探究之后交流，可以使用錄屏軟件同時(shí)記錄手機(jī)圖像變化過(guò)程，錄制存為視頻文件，及時(shí)回看).

圖2 加速度傳感器顯示界面

(3)電梯從1樓上升到4樓過(guò)程，摁下“4”電梯按鈕，觀察手機(jī)圖像變化情況，做好實(shí)時(shí)記錄，電梯停止后，按停止按鈕(圖3中的“”按鈕)，并停止記錄數(shù)據(jù)(圖3中的“Stop”按鈕)，命名文件(如圖4所示，命名后點(diǎn)擊“OK”)，保存文件數(shù)據(jù)，可以傳送到電腦，也可以直接保存到手機(jī)中.上升過(guò)程顯示圖像如圖3所示.

圖3 電梯從1樓上升到4樓階段顯示圖像

圖4 保存數(shù)據(jù)圖像

(4)電梯從4樓下降到1樓過(guò)程，摁下“1”電梯按鈕，觀察手機(jī)圖像變化情況，做好實(shí)時(shí)記錄，電梯停止后，按照步驟(3)，保存數(shù)據(jù).下降過(guò)程顯示圖像如圖5所示.

圖5 電梯從4樓下降到1樓階段顯示圖像

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)截圖記錄，保存結(jié)果，通過(guò)表格記錄電梯升降過(guò)程中各物理量的變化情況，并通過(guò)對(duì)智能手機(jī)的受力分析，做豎直方向所受的重力及支持力的大小比較，引出超重與失重概念，并對(duì)其產(chǎn)生的原因作解釋.由圖像分析可得，忽略電梯自身晃動(dòng)(圖3和圖4中抖動(dòng)的圖像變化)等引起的誤差外，在電梯上升或下降過(guò)程圖像均出現(xiàn)兩次突增或突減過(guò)程，將結(jié)果顯示記錄于表1中.

表1 電梯中的超重與失重現(xiàn)象記錄表

3.3 活動(dòng)建議

智能手機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡奈锲?，隨著手機(jī)的不斷普及，很多學(xué)生都了解手機(jī)的構(gòu)造、功能和使用方法.如果能利用手機(jī)來(lái)做物理實(shí)驗(yàn),將會(huì)引起學(xué)生極大的興趣.教師可以在講授新課前統(tǒng)一要求學(xué)生在課前完成，利用課余時(shí)間開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，填寫表格，保存圖像，然后在課堂上展示結(jié)果，如錄制好視頻展示(可自行安裝錄屏軟件)，也可讓學(xué)生說(shuō)說(shuō)做這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的體會(huì)，對(duì)比分析不同學(xué)生的結(jié)果，讓學(xué)生經(jīng)歷探究超重、失重現(xiàn)象產(chǎn)生原因的過(guò)程.同樣可以拓展：在不同樓層開(kāi)展或者在不同廠家生產(chǎn)的電梯中做實(shí)驗(yàn)，對(duì)探究結(jié)果是否有影響？

4 結(jié)束語(yǔ)

基于智能手機(jī)探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象具有以下特色：

(1)將電梯升降過(guò)程加速度瞬時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為圖像顯示，直觀易懂，突破教學(xué)難點(diǎn)；

(2)學(xué)生在探究過(guò)程中隨同電梯一起運(yùn)動(dòng)，在觀測(cè)現(xiàn)象的同時(shí)，還有生理感覺(jué)，所以體驗(yàn)性非常強(qiáng)；

(3)電梯升降運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變化的加速度，利用牛頓第二定律，分析不同加速度對(duì)應(yīng)的物體所受壓力或拉力的變化，可以在實(shí)驗(yàn)中利用牛頓第二定律分析超重、失重情境中的物理規(guī)律.

1 李希凡.基于前概念轉(zhuǎn)變的“超重與失重”教學(xué)探討.物理教師,2014(07):21～22

2 趙潔.中學(xué)物理概念教學(xué)難點(diǎn)確定與突破理論與實(shí)踐研究：[學(xué)位論文].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué),2012

3 Vieyra Software.Physics Toolbox Accelerometer.(2014-5-9)[2014-8-10]https://play.google.com /store /apps/ details? id = com.chrystianvieyra.android.physicstoolbox accelerometer&hl = en.Html

4 張春斌,王妍琳,周少娜,等.利用手機(jī)加速度傳感器探究豎直方向彈簧振子運(yùn)動(dòng). 大學(xué)物理,2015(07):15～19

5 朱敏亮,肖化.基于滑輪組的超重失重演示儀. 中學(xué)物理教學(xué)參考,2015(15):29～30

6 Patrik Vogt, Jochen Kuhn.Analyzing free fall with a smartphone acceleration sensor.Physics Teacher,2012，50(3)：182～183

7 Jochen Kuhn, Patrik Vogt.Analyzing spring pendulum phenomena with a smart-phone acceleration sensor.The Physics Teacher，2012，50(8)：504

江敏麗(1993- )，女，在讀碩士研究生，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究等研究.

指導(dǎo)教師：吳先球(1968- ),男，博士，教授，主要從事信息技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究及物理實(shí)驗(yàn)研究.

2016-07-18)