楊 蕾 胡銀泉*

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

智能手機(jī)中加速度計(jì)的原理及教學(xué)應(yīng)用

楊 蕾 胡銀泉*

(江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院 江西 南昌 330022)

智能手機(jī)傳感器為物理教學(xué)帶來(lái)了全新的教學(xué)方式．對(duì)此，筆者詳細(xì)介紹了手機(jī)加速度計(jì)的工作原理，解決如何通過(guò)內(nèi)部的彈簧-重物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量靜止時(shí)手機(jī)所受的重力加速度．而后，將手機(jī)加速度計(jì)引入物理教學(xué)中，研究自由落體運(yùn)動(dòng)．與傳統(tǒng)教學(xué)相比，智能手機(jī)傳感器的引入使物理教學(xué)更形象、更直觀、更有效率．

智能手機(jī) 傳感器 加速度計(jì) 原理 應(yīng)用

1 引言

隨著智能手機(jī)的日益普及，人們生活方式發(fā)生著重大變革，也為教育領(lǐng)域注入了新的血液．我國(guó)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出：“鼓勵(lì)將電子計(jì)算機(jī)等多媒體計(jì)算應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)提倡使用身邊隨手可得的普通物品做實(shí)驗(yàn)．”[1]手機(jī)作為生活中常見(jiàn)的電子產(chǎn)品，其強(qiáng)大的傳感器系統(tǒng)尤為引得教育工作者的關(guān)注，希望以此可以取代價(jià)格不菲的DIS傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)．美國(guó)科學(xué)機(jī)構(gòu)“i Physics Labs”正著手研究如何更好地通過(guò)智能手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集．

筆者將通過(guò)下文對(duì)安卓智能手機(jī)中加速度計(jì)工作原理的介紹，深入分析內(nèi)部彈簧-振子系統(tǒng)，解決手機(jī)靜止時(shí)可測(cè)重力加速度的問(wèn)題．而后，結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)例，使用加速度計(jì)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)．

2 手機(jī)傳感器中的加速度計(jì)

首先，為智能手機(jī)下載一個(gè)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)部手機(jī)傳感器，如AndroSensor(谷歌Android系統(tǒng))、SensorLog(蘋(píng)果系統(tǒng))等，使傳感器軟件能夠訪問(wèn)智能手機(jī)原始數(shù)據(jù)端．這里使用的是AndroSensor，其界面如圖1所示，安裝了這款軟件的手機(jī)就像一個(gè)強(qiáng)大的便攜式物理實(shí)驗(yàn)室，其中包含了位置、加速度、重力、陀螺儀、光、磁場(chǎng)、聲、氣壓等傳感器.

圖1 Androsensor使用界面

手機(jī)中的加速度計(jì)是一個(gè)微小的電子機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MEMS)[2]．物理實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)大量使用DIS加速度傳感器，但這與本文所講的手機(jī)加速度計(jì)有很大區(qū)別．手機(jī)中加速度計(jì)能測(cè)量物體靜止時(shí)所受的重力加速度，而不僅僅顯示運(yùn)動(dòng)物體加速度．這涉及手機(jī)加速度傳感器的內(nèi)部工作原理，加速度傳感器的本質(zhì)就是裝在手機(jī)內(nèi)部的一個(gè)彈簧-重物模型，它所測(cè)量的其實(shí)是手機(jī)內(nèi)部重物的加速度．

當(dāng)手機(jī)豎直放置(即手機(jī)底部接觸水平光滑桌面)，內(nèi)部彈簧-重物模型如圖3(b)所示，由于重物受豎直方向的重力作用，手機(jī)中的重物相對(duì)于手機(jī)內(nèi)部的中心位置發(fā)生移動(dòng)，x,y軸向的彈簧都會(huì)發(fā)生形變，z軸無(wú)形變．再結(jié)合力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，同上分析，可得到ax=0;ay=g;az=0．

因此，智能手機(jī)內(nèi)的加速度計(jì)是由x,y,z軸這3個(gè)方向的彈簧系統(tǒng)組成，加速度計(jì)實(shí)際直接測(cè)量到的并不是重物的加速度，而是通過(guò)測(cè)量各個(gè)軸方向受到的力，反推回重物(非手機(jī))的加速度．

圖2 手機(jī)傳感器x,y,z定位方式

圖3 手機(jī)內(nèi)部彈簧-重物系統(tǒng)

3 研究自由落體現(xiàn)象

在實(shí)際物理課堂教學(xué)中，手機(jī)加速度計(jì)也有廣闊的應(yīng)用空間．以研究自由落體運(yùn)動(dòng)為例，自由落體運(yùn)動(dòng)是生活中常見(jiàn)現(xiàn)象，但是對(duì)于為什么做自由落體的物體處于完全失重狀態(tài)這一問(wèn)題，學(xué)生往往難以理解．傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足以測(cè)量短時(shí)間內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)物體的加速度變化，僅僅是讓學(xué)生去想象“電梯情景”，再通過(guò)對(duì)物體受力的分析，得出完全失重這一結(jié)論．這樣的教學(xué)方式不利于學(xué)生理解此類(lèi)問(wèn)題．戴爾的經(jīng)驗(yàn)之塔理論指出：“教育應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步進(jìn)入抽象，有效的學(xué)習(xí)之路必須鋪滿著具體經(jīng)驗(yàn)．”[3]物理學(xué)的規(guī)律都是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將智能手機(jī)引入課堂教學(xué)，利用手機(jī)傳感器的加速度計(jì)曲線研究極短時(shí)間內(nèi)物體的自由落體運(yùn)動(dòng)．以下是具體的操作步驟．

在測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)中，水平手持手機(jī)，打開(kāi)傳感器的加速度計(jì)，選擇記錄數(shù)據(jù)．接著，為了防止手機(jī)在落地時(shí)被摔壞，在手機(jī)下落處放置海綿．實(shí)驗(yàn)前注意調(diào)節(jié)傳感器的更新間隔，間隔時(shí)間調(diào)為“很快”．接著，釋放手機(jī)，讓手機(jī)自由下落，所測(cè)得的加速度曲線如圖4(a)所示．將手機(jī)記錄的數(shù)據(jù)連接到電腦上，學(xué)生就可以很方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

從所測(cè)得的加速度曲線可以看出，曲線a顯示為手機(jī)在豎直方向(z軸)上的加速度變化，將加速度曲線a放在坐標(biāo)軸中擬合，如圖4(b)所示．

圖4

起初手機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，豎直方向上受重力，加速度計(jì)在z軸所測(cè)為重力加速度，恒為g．放手后，手機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，手機(jī)充當(dāng)兩個(gè)角色，既是重物，又是測(cè)量系統(tǒng)，作為一個(gè)整體，重力加速度突然變?yōu)榱?，并在下落過(guò)程中持續(xù)為零(手機(jī)內(nèi)部的彈簧-重物系統(tǒng)受力為零)手機(jī)此時(shí)處于完全失重狀態(tài)．此后手機(jī)落在海綿上，手機(jī)在極短時(shí)間內(nèi)反復(fù)地彈起下落，加速度計(jì)所測(cè)得的示數(shù)也會(huì)有波動(dòng)，在彈起時(shí)手機(jī)超重，表現(xiàn)為加速度圖線隨之升高；在下落時(shí)失重，加速度圖線隨之下降．之后手機(jī)停止跳動(dòng)，穩(wěn)定在海綿上，豎直方向上的加速度再次恒定為g．

4 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)以上清晰的加速度圖像，教師引導(dǎo)學(xué)生分析圖線，輕松得出物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)完全失重這一結(jié)論．

將手機(jī)引入物理教學(xué)中，貼近學(xué)生生活，不僅豐富學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)操作難度降低，學(xué)生容易掌握，教學(xué)過(guò)程更直觀、有效．還要求學(xué)生轉(zhuǎn)而關(guān)注數(shù)據(jù)間的物理關(guān)系和數(shù)據(jù)背后更高層次的物理分析，利用圖線反映物理規(guī)律，分析物理問(wèn)題．

1 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn)稿),北京：人民教育出版社，2005

2 王躍林，蘇以撒，王文.微電子機(jī)械系統(tǒng).電子學(xué)報(bào)，1995(10):37～42

3 Edgar Dale.Audio-Visual Methods in Teaching.1946

4 張丹彤.讓智能手機(jī)成為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好幫手.物理教師，2014(11):39～42

5 張振. 巧用智能手機(jī)做物理實(shí)驗(yàn). 物理通報(bào)， 2013 (11): 72～75

6 陳雷，宋健夫，李冰，等.智能手機(jī)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)儀器與教學(xué)，2015，32(5):27

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

ThePrincipleandTeachingApplicationonIntelligentMobilePhoneAccelerometer

Yang Lei Hu Yinquan

(JiangxiNormalUniversity，Nanchang,Jianxi330022)

Smart phone sensor for physics teaching has brought new teaching methods.In this regard, the author details the working principle of mobile phone accelerometer to solve how the internal spring - heavy objects system.Then,the introduction of mobile phone accelerometer into physics teaching.Compared with traditional teaching,the introduction of smart phone sensor makes physics teaching more visual,more intuitive and more efficient.

smartphone；sensor；accelerator；principle；application

楊蕾(1992- )，女，在讀碩士研究生.指導(dǎo)教師：胡銀泉(1963- )，男，副教授，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及研究.

2016-05-30)