惠宇潔

摘 要：豐富的內(nèi)置傳感器使得智能手機(jī)有望成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新工具。本文利用基于傳感器應(yīng)用的手機(jī)軟件Phyphox，介紹聲速的測(cè)量、向心加速度與角速度關(guān)系的驗(yàn)證以及單擺周期與擺長(zhǎng)關(guān)系的定量探究三個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，闡述了將智能手機(jī)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)越性：有助于打破實(shí)驗(yàn)的空間限制，激發(fā)創(chuàng)新因子，促進(jìn)自主探究。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；Phyphox；傳感器；物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0070-3

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能手機(jī)逐漸成為了中學(xué)生交流的主要工具。除了滿足最基本的通訊功能，目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)智能手機(jī)都集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，結(jié)合手機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，能夠?yàn)榻處熼_展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、揭示物理規(guī)律提供新的方法和途徑。

Phyphox是德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)基于傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)手機(jī)軟件，面世之后在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)受到關(guān)注，不僅在2018年1月的AAPT（美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)）冬季會(huì)議上獲得廣泛好評(píng)，也被臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)等高校和物理競(jìng)賽組織列為推薦使用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具。本文通過(guò)Phyphox在物理實(shí)驗(yàn)中的具體案例，展示將智能手機(jī)傳感器與物理實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新方式。

1 Phyphox的功能和特性

Phyphox軟件通過(guò)調(diào)用手機(jī)的內(nèi)置傳感器，包括加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀（旋轉(zhuǎn)傳感器）、光傳感器、壓力傳感器、麥克風(fēng)以及GPS等，可根據(jù)手機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況和周圍環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量。目前可實(shí)現(xiàn)29種內(nèi)置功能，例如測(cè)量加速度、角速度、光照強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、壓力和聲音的幅度和頻率等基本物理量，并且將這些數(shù)據(jù)以圖形或數(shù)字的形式呈現(xiàn)。除此之外，還有基于傳感器而開發(fā)的實(shí)用工具，如秒表（聲學(xué)秒表、運(yùn)動(dòng)秒表、光學(xué)秒表）、角度測(cè)量?jī)x、音頻發(fā)生器等。除了直接使用實(shí)用工具和單獨(dú)的傳感器，Phyphox軟件還將傳感器進(jìn)行模塊化組合，方便使用者研究和分析轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)、彈性碰撞、彈簧振動(dòng)、單擺、失重與超重等多種基本運(yùn)動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)案例分析

現(xiàn)介紹三個(gè)基于Phyphox操作的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，分別從測(cè)量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)三種實(shí)驗(yàn)類型來(lái)展現(xiàn)智能手機(jī)在補(bǔ)充現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式上的巨大潛能。

2.1 測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度

在《聲音的傳播》這節(jié)內(nèi)容中，教材直接告訴學(xué)生聲音在空氣中的傳播速度是340 m/s，但并沒(méi)有給出可操作的測(cè)量方案。目前比較可行的測(cè)量方法是測(cè)量某一聲音的頻率，結(jié)合其波長(zhǎng)來(lái)確定聲音的傳播速度[1]，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為精確但原理超出了初中生的知識(shí)水平。Phyphox中的Acoustic Stopwatch（聲學(xué)秒表）功能讓學(xué)生利用最原始的速度公式實(shí)現(xiàn)聲速的測(cè)量。

2.1.1 工作原理

打開Acoustic Stopwatch，當(dāng)手機(jī)接收到外界第一個(gè)聲音時(shí)便觸發(fā)計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，接收到第二個(gè)聲音時(shí)停止計(jì)時(shí)，因此Acoustic Stopwatch記錄了兩個(gè)聲音之間的時(shí)間間隔，計(jì)時(shí)可精確到1 ms。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了保證擊掌聲音能夠觸發(fā)遠(yuǎn)處手機(jī)的計(jì)時(shí)器，本次實(shí)驗(yàn)筆者選擇的距離d為5 m，手機(jī)1記錄的時(shí)間為t1，手機(jī)2記錄的時(shí)間為t2。

2.2 驗(yàn)證向心加速度與角速度的關(guān)系

目前智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用已有一些案例，但大部分都是基于加速度傳感器的應(yīng)用[2-3]，陀螺儀傳感器得到的關(guān)注較少。此外，在講授《向心加速度》這節(jié)內(nèi)容時(shí)教師一般都通過(guò)理論推導(dǎo)來(lái)得出向心加速度的表達(dá)式ac=ω2r。實(shí)際上，我們可以利用Phyphox中的Centrifugal acceleration（離心/向心加速度）功能來(lái)驗(yàn)證向心加速度與角速度的關(guān)系，以此作為對(duì)理論知識(shí)的一種補(bǔ)充。

2.2.1 工作原理

Centrifugal acceleration功能調(diào)用陀螺儀傳感器測(cè)量手機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，調(diào)用加速度傳感器測(cè)量向心加速度，并分別繪制向心加速度ac與角速度ω以及角速度平方ω2的函數(shù)圖像。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

筆者選擇將手機(jī)放在倒置的自行車車輪中間（利用腳踏板容易控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度），并用尼龍?jiān)鷰⑹謾C(jī)固定（圖3）。打開Centrifugal acceleration，轉(zhuǎn)動(dòng)腳踏板使手機(jī)隨著后輪緩慢均勻地加速，盡量嘗試不同的速度使生成的點(diǎn)跡分布均勻。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4是在手機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中生成的圖像，可以看出向心加速度與角速度呈現(xiàn)拋物線擬合的關(guān)系，與角速度的平方呈現(xiàn)正比的線性關(guān)系，有效地驗(yàn)證了公式ac=ω2r。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)拓展

除了自行車車輪，很多生活中常見(jiàn)的器材和用具都可以用來(lái)驗(yàn)證向心加速度與角速度的關(guān)系，例如小區(qū)健身場(chǎng)地的轉(zhuǎn)盤、家中的轉(zhuǎn)椅等，因此實(shí)驗(yàn)具有極大的開放性。

2.3 探究單擺運(yùn)動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的定量關(guān)系

測(cè)量單擺周期的常規(guī)做法需要學(xué)生計(jì)量多次（30～50次）全振動(dòng)的時(shí)間，存在操作耗時(shí)久、計(jì)數(shù)易受干擾、實(shí)驗(yàn)誤差大等問(wèn)題[4]。Phyphox中的pendulum（單擺）功能可以直接輸出單擺運(yùn)動(dòng)的周期，有助于學(xué)生在小角度傾角下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 工作原理

手機(jī)作為實(shí)驗(yàn)中的擺錘，內(nèi)置傳感器將追蹤手機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而得出高精度的單擺周期。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將一支鉛筆固定在桌面上，且一端遠(yuǎn)離桌子邊緣。利用一個(gè)壓扁的衛(wèi)生紙卷為手機(jī)做一個(gè)插槽，并在紙卷四角穿孔，用細(xì)線將手機(jī)懸掛于鉛筆之下（圖5），這樣的做法保證了手機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身不會(huì)旋轉(zhuǎn)，而是做單擺運(yùn)動(dòng)。打開Pendulum，設(shè)置延遲開始的時(shí)間，并選擇手機(jī)記錄單擺運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間（本次實(shí)驗(yàn)設(shè)為30 s）（圖6）。確定擺長(zhǎng)l，讓單擺從擺角小于5°的初始位置開始運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，每次改變單擺的擺長(zhǎng)，并讀取軟件頁(yè)面上的Period（周期T）。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如表2）

從表2可以看出周期T隨擺長(zhǎng)l的增大而增大，為了進(jìn)一步探究擺長(zhǎng)與周期的定量關(guān)系，筆者多次改變擺長(zhǎng)l的指數(shù)并計(jì)算其與周期T的比例，得出T∝l1/2的關(guān)系。

3 智能手機(jī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

3.1 打破實(shí)驗(yàn)的空間限制

特定的實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器在日常生活中較難獲取，因此傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常在教室或?qū)嶒?yàn)室里進(jìn)行，而在戶外和家中實(shí)施的實(shí)驗(yàn)往往局限于簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而沒(méi)有條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析。智能手機(jī)容易獲取又輕巧便攜，相當(dāng)于讓每個(gè)學(xué)生都隨身攜帶了一個(gè)微型DIS實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室不再是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的固定場(chǎng)地，學(xué)生擁有更廣泛的空間自由，教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式也可靈活多變。

3.2 激發(fā)創(chuàng)新因子

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提倡“使用身邊隨手可得的普通物品做實(shí)驗(yàn)”[5]，然而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材較為單一，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造力。智能手機(jī)提供了必要的測(cè)量工具，學(xué)生可以根據(jù)研究的問(wèn)題從多角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和問(wèn)題解決。智能手機(jī)帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)的開放性，既激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，又充分挖掘了學(xué)生的創(chuàng)造潛能。

3.3 促進(jìn)自主探究

物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。有了智能手機(jī)的全方位支持，探究式學(xué)習(xí)模式能夠發(fā)揮出更大的自主性。學(xué)生不必為數(shù)據(jù)測(cè)量而煩惱，他們有更多的時(shí)間去發(fā)現(xiàn)那些范圍更廣、深度更深的問(wèn)題，從而盡情地去猜想、實(shí)驗(yàn)和分析。對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以去探究聲音的傳播速度在戶外和室內(nèi)測(cè)量的區(qū)別，也可以去探究單擺更多的影響因素，比如更大的初始角度或者是物體的形狀。這種發(fā)散式的實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生改變機(jī)械的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的自主性和探究精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫阿明，劉靜.利用智能手機(jī)測(cè)量空氣中的聲速[J].物理教師，2016，37（4）：45-46.

[2]趙榮俊，劉應(yīng)開.用智能手機(jī)加速度傳感器分析彈簧振動(dòng)現(xiàn)象[J].物理教師，2017，38（1）：54-58.

[3]胡琦珩，丁益民，馮一帆，等.利用智能手機(jī)驗(yàn)證牛頓第二定律[J].物理教師，2017，38（10）：50-52.

[4]李海濤.利用DIS實(shí)驗(yàn)研究單擺的運(yùn)動(dòng)[J].物理教學(xué)，2010，32（6）：26-27.

[5]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）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2001.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）