李玉峰 王靜

摘要：電梯是日常生活中的乘用工具.本研究利用智能手機(jī)應(yīng)用軟件Phyphox對電梯直線運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律描述進(jìn)行創(chuàng)新性實驗設(shè)計，加深學(xué)生對位移、瞬時速度概念的理解，提高數(shù)據(jù)分析能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有效進(jìn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提高.

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)，Phyphox，電梯豎直運(yùn)動，位移，瞬時速度

作者簡介：李玉峰（1977-），山東聊城人，教育學(xué)博士，副教授，研究方向：科學(xué)教育研究；

王靜（1996-），女，山東聊城人，研究生，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

1引言

隨著新一輪高中課程改革的推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，成為高中物理課程的培養(yǎng)目標(biāo).物理學(xué)科由必考科目變成了選考科目，如何增強(qiáng)物理學(xué)科的吸引力，增加物理學(xué)科的選修率，成為物理教師必須思考的問題.

本文遵循《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017版）[1]中“注重課程的時代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展需求”“引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，倡導(dǎo)教學(xué)方式的多樣化”的課程理念，選擇高層住宅出現(xiàn)后的乘用工具電梯的運(yùn)動作為研究對象，采用集各種傳感器于一體的常用通訊工具智能手機(jī)作為移動的物理實驗室，設(shè)計實驗工作單，讓學(xué)生利用軟件Phyphox自主探究電梯的運(yùn)動規(guī)律[2].

2電梯運(yùn)動規(guī)律前概念調(diào)查

作為常見的常用工具電梯，學(xué)生非常熟悉，知道電梯的運(yùn)動經(jīng)歷從靜止到運(yùn)動再到靜止的運(yùn)動過程；通過物理課程的學(xué)習(xí)，了解到位移、瞬時速度是精確描述物體運(yùn)動規(guī)律的重要物理量.而對于電梯運(yùn)動的精確描述則是非常的困難.

3研究工具介紹

31物質(zhì)基礎(chǔ)-智能手機(jī)

智能手機(jī)集合了眾多的傳感器于一體，比如加速度傳感器、近距離傳感器、磁傳感器、大氣壓強(qiáng)傳感器、照度傳感器等；再加上可以根據(jù)用戶需要安裝的應(yīng)用軟件APP，就構(gòu)成了一個移動的物理實驗室，為眾多物理實驗的創(chuàng)新設(shè)計打下了基礎(chǔ).

32應(yīng)用軟件- Phyphox

Phyphox是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所（RWTH Aachen University）開發(fā)的一款免費(fèi)手機(jī)APP.主要特征如下：

321利用內(nèi)置傳感器進(jìn)行實驗

Phyphox允許實驗者運(yùn)用智能手機(jī)的內(nèi)置智能傳感器進(jìn)行相關(guān)的實驗，比如：應(yīng)用加速度傳感器測量擺的頻率，利用揚(yáng)聲器進(jìn)行多普勒效應(yīng)測量等.

322實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)程控制智能手機(jī)

Phyphox可以在同一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實現(xiàn)借由其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實現(xiàn)對智能手機(jī)設(shè)備的控制.

323采用常見格式輸出實驗數(shù)據(jù)

利用該軟件可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)采用常見的格式輸出，實驗者可以采用自己的軟件進(jìn)行分析；或者采用手機(jī)上的APP進(jìn)行數(shù)據(jù)分享和存儲.

324創(chuàng)設(shè)自己的實驗文件夾

采用Phyphox可以在wiki中創(chuàng)設(shè)自己的實驗文件夾給予大家分享.

4實驗原理

要研究電梯的運(yùn)動需要準(zhǔn)確地描述其位移、瞬時速度隨時間變化的規(guī)律.

41位移變化的間接測量

在本研究中主要利用在重力場中大氣壓強(qiáng)隨時間變化的規(guī)律實現(xiàn)位移的間接測量.

在重力場中等溫狀態(tài)下，大氣壓強(qiáng)隨高度變化的規(guī)律為

P=poexp（-μgRTh）（1）

其中，p 為高度h處的氣壓，R 為氣體普適常數(shù)，T為大氣溫度，μ為空氣的摩爾質(zhì)量，g為重力加速度.

當(dāng)兩點(diǎn)間海拔高度變化不大時，可得到

Δp=-ρgΔh（2）

其中，ρ為空氣密度，即高度差不大時，可認(rèn)為空氣是均勻的.

Δh=（-1ρgΔP）（3）

42瞬時速度的測量

在高中階段的速度定義如下：如果在時間Δt內(nèi)物體的位移為Δx，它的速度就可以表示為

v=ΔxΔt（4）

Δt非常小接近0時，我們把ΔxΔt稱為物體在t時刻的瞬時速度.在實際的瞬時速度測量中，Δt越小，ΔxΔt越接近于瞬時速度.

在很短的時間內(nèi)把電梯的運(yùn)動看成勻變速直線運(yùn)動，利用“在勻變速運(yùn)動中中間時刻的瞬時速度等于這一段時間內(nèi)的平均速度”這一結(jié)論進(jìn)行近似計算.

v=vt2

基于這一原理，數(shù)據(jù)處理得

Δh=h2-h1

Δt=t2-t1

vt2+t12=ΔhΔt=h2-h1t2-t1（5）

可以完成瞬時速度的計算.

5創(chuàng)新實驗設(shè)計

51閱讀材料，熟悉Phyphox使用方法

給學(xué)生有關(guān)大氣壓強(qiáng)與高度關(guān)系的材料，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，了解利用大氣壓力傳感器測量高度的原理、瞬時速度的測量原理.

52安裝Phyphox，熟悉軟件功能、使用方法

在手機(jī)的應(yīng)用市場里下載手機(jī)傳感器套裝軟件Phyphox，安裝后熟悉功能及使用界面.

如圖1-圖4所示，以華為mate9 為例，Phyphox列出了手機(jī)中的傳感器，比如：加速度（不包含g）、加速度g、陀螺儀、光照度傳感器、位置傳感器（GPS）、磁場強(qiáng)度傳感器、壓強(qiáng)傳感器等.此外，手機(jī)還可以把實驗者的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，如圖1所示，5月23日進(jìn)行測電梯運(yùn)動實驗.支持系列聲學(xué)實驗，比如包括：測量聲音的幅度、測量聲音的頻率、聲音的范圍、聲音頻譜、多普勒效應(yīng)、頻率歷史、回聲測距、聲音信號發(fā)生器；支持的日常實驗等，如測量電梯的速度；支持的力學(xué)實驗，如彈性碰撞、圓周運(yùn)動、擺、轉(zhuǎn)動、彈簧振子等；支持利用手機(jī)的內(nèi)在傳感器設(shè)計實驗.此外，該軟件還具有計時器，加速度頻譜、角度測量、磁力頻譜、磁力測距等功能.

53利用Phyphox采集電梯豎直運(yùn)動的數(shù)據(jù)