杜嘉萍,周少娜,莊 瑾,王 晰,譚紫荊,溫春媚

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

轉(zhuǎn)速計可以被用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度，更為巧妙的做法是轉(zhuǎn)換為利用測量物理量隨時間的分布規(guī)律，關(guān)注物理量達到極值的時間間隔，得出轉(zhuǎn)動物體的運動周期[1]，從而確定旋轉(zhuǎn)物體的角速度. 相比于普通的轉(zhuǎn)速計，這種測量方法更能激發(fā)學(xué)生非常規(guī)思維的思考方式.

智能手機搭載了多種傳感器，近年來，智能手機被廣泛挖掘運用于物理教學(xué)實驗中[1-4]. 本實驗利用智能手機搭載的磁傳感器便能通過收集磁場強度隨時間的變化，測量轉(zhuǎn)動物體的旋轉(zhuǎn)周期從而確定平均角速度. 在教學(xué)中使用智能手機的技術(shù)相較于昂貴、操作較復(fù)雜的DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)[5]，具有普及性高、儀器精簡、操作上手快等優(yōu)勢，利于課堂探究活動的進行.

1 理論知識及實驗方法

(1)

教師可以向?qū)W生提供轉(zhuǎn)盤，也可向?qū)W生提供制作轉(zhuǎn)盤所需要的原材料，制作轉(zhuǎn)盤的原材料包括：已焊接好線的馬達、熱熔膠、圓紙板、電池盒(含電池)、柱狀硬盒. 經(jīng)評估，學(xué)生動手制作轉(zhuǎn)盤的難度并不大，只需把馬達轉(zhuǎn)子嵌進圓紙盤中用熱熔膠固定，馬達底部與柱狀硬盒用熱熔膠連接，柱狀硬盒與另一只圓紙盤用熱熔膠連接. 按照圖1所示搭建好轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤旁架起手機，打開手機APP應(yīng)用軟件Phyphox進行測量.

圖1 實驗裝置簡圖

Phyphox是一款可以實時測量加速度、光強、磁感強度等的傳感器套件，能進行數(shù)據(jù)分析和導(dǎo)出測量數(shù)據(jù). 打開Phyphox后，界面如圖2所示，選擇“Magnetometer”后，將會得到顯示測量3個方向的磁場-時間實時圖像，如圖3所示，點擊右上角的小三角開始測試. 測試完畢后，可以點開右上角的拓展欄如圖4所示，選擇“Export Data”或“Share screenshot”導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)或?qū)崟r圖像. 可以通過“Timed run”設(shè)置測試時間，若選擇此項，測試時間結(jié)束，自動停止測量.

圖2 Phyphox界面

圖3 Magnetometer界面

圖4 Phyphox功能選項界面

2 磁傳感器在測角速度中的應(yīng)用

2.1 用磁傳感器測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速

如圖5所示，將磁鐵放置在轉(zhuǎn)盤上，用透明膠固定好，在轉(zhuǎn)盤旁架起手機，打開手機APP應(yīng)用軟件Phyphox中磁傳感器功能測量磁感性強度，從磁感應(yīng)強度的周期變化中可以計算獲得轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的周期[6]，磁場-時間的數(shù)據(jù)變化圖像，如圖6所示.

圖5 實驗裝置圖

圖6 數(shù)據(jù)顯示圖像

利用磁感應(yīng)強度的峰值間隔計算其周期變化，通過逐差法計算圖6中相鄰峰值的平均時間間隔.

原則上，磁場任一分量的大小變化都可以用來表征磁場的周期性變化. 由于平臺不夠水平，故y分量的峰值不一致，因此選擇數(shù)值更為穩(wěn)定的磁場z分量來計算磁場的周期性變化. 調(diào)出峰值點數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 磁場z分量Bz隨時間t周期變化峰值數(shù)據(jù)

圖7 磁場z分量Bz隨時間t周期變化圖線

將表1數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖7所示.

根據(jù)逐差法可得到平均時間間隔為

利用(2)式可求得平均角速度為

同時進行視頻分析. 將拍攝的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動視頻導(dǎo)進Adobe Premiere中逐幀播放，分析視頻的角速度平均值為4.4 rad/s，這與采用測量磁場周期性變化的方法獲得的結(jié)果相比吻合度較高，說明本實驗方法的可行性.

教師在選用馬達時，應(yīng)選擇低速馬達，因為低速馬達角速度緩慢而均勻,適合被測量，反之若轉(zhuǎn)速太快，智能手機的采樣頻率跟不上，會造成漏測而導(dǎo)致誤差.

學(xué)生在實驗中應(yīng)該注意智能手機應(yīng)用支架或其他物體固定，并使其前端位置接近旋轉(zhuǎn)外盤，這樣實驗?zāi)芨玫厥占艌鲂畔? 在數(shù)據(jù)處理過程中，學(xué)生可能會采用每組相鄰極值時間間隔取平均的方法求平均時間間隔，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生采用逐差法計算.

此實驗注重學(xué)生的動手探究，從制作轉(zhuǎn)盤到數(shù)據(jù)處理，體現(xiàn)出STEM理念中的E工程技術(shù)和M數(shù)據(jù)運用能力.

2.2 用磁傳感器測導(dǎo)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速

在水平平面旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤可以被換成生活中的旋轉(zhuǎn)物體，比如緩慢旋轉(zhuǎn)的電風(fēng)扇外蓋導(dǎo)風(fēng)輪(不是高速旋轉(zhuǎn)的扇葉)，觀察豎直平面旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磁感應(yīng)強度的周期變化. 如圖8所示，將小圓柱形磁體固定在電風(fēng)扇外蓋導(dǎo)風(fēng)輪上，用支架固定智能手機使位于旋轉(zhuǎn)外盤正下方. 開啟電風(fēng)扇，啟動APP的磁傳感器，開始數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)顯示圖像如圖9所示(持續(xù)時間5 s).

磁場y分量和z分量的變化曲線都可以用來表征磁場的周期性變化，選擇數(shù)值上更為穩(wěn)定的磁場z分量進行研究. 調(diào)出磁場z分量變化曲線的峰值數(shù)據(jù)整理如表2所示. 將表2中數(shù)據(jù)繪制成曲線圖,如圖10所示.

圖8 實驗裝置圖

圖9 數(shù)據(jù)顯示圖像(持續(xù)時間5 s)

表2 磁場z分量隨時間周期性變化峰值數(shù)據(jù)

圖10 磁場z分量隨時間周期性變化曲線

根據(jù)逐差法公式可以求得平均時間間隔為

利用(2)式可計算出平均角速度為

教師可以向?qū)W生分析，由于手機擺放時處于電風(fēng)扇外蓋導(dǎo)風(fēng)輪的豎直面y-z面上，所以測出的磁場x分量平均不隨時間變化，而磁場y分量和磁場z分量具有當(dāng)磁鐵靠近時磁場增大、遠離時磁場減少的周期變化規(guī)律，分析這2個分量的數(shù)據(jù)變化才有意義.

在數(shù)據(jù)處理過程中，教師也能向?qū)W生說明，采用逐差法相比求平均法更接近并行視頻分析的結(jié)果，得出的結(jié)論更為精確.

3 結(jié)束語

磁傳感器在生活中應(yīng)用非常廣泛. 除了智能手機中配置磁傳感器用以實現(xiàn)地理方向定位，磁傳感器還能以把磁場、溫度、光等引起敏感元件的磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號的方式來檢測相應(yīng)物理量. 同時在物理電磁實驗中磁傳感器也發(fā)揮著很多作用，如可以幫助學(xué)生研究地磁場、研究影響通電螺線管磁感強度的因素等. 而本實驗表明，利用智能手機設(shè)備的磁傳感器測量慢速旋轉(zhuǎn)物體平均角速度的方法是可行且精確的，該方法除了培養(yǎng)學(xué)生的動手制作能力、在數(shù)據(jù)處理過程中學(xué)生能夠?qū)W會對逐差法進行運用外，還體現(xiàn)出了智能手機技術(shù)在物理教學(xué)手段中相較于DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢，利于課堂探究活動的進行.