饒 迪 程敏熙 李錫均

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱.利用傳感器進行實驗不僅采集數據方便、快捷，且實驗結果精確，我國甚至把傳感器列為“十五”計劃重點科技研究發(fā)展項目之一[1].

無論是德國的萊寶系統(tǒng)、美國的PASCO系統(tǒng)，還是國內的DISLab都是由傳感器、數據采集器和計算機組成.一套較好的DIS實驗操作系統(tǒng)都要上萬元，較高的價格成為制約其被廣泛應用的主要因素.當前，我國只有部分大專院?；蛑袑W配備有DIS實驗器材[2].

值得注意的是，隨著現(xiàn)代生活水平的不斷提高，智能手機逐漸成為人們日常生活中的必須品，而現(xiàn)代智能手機內置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應傳感器等十多種傳感器.同時，各種手機傳感器App也不斷被開發(fā)，無論是基于蘋果手機的Phyphox,BaroAlt,Altimeter等，還是基于安卓手機的physics toolbox，ToneGenerator等，都給物理實驗帶來了許多新的設計思路.各種實驗操作不僅簡單易行，而且實驗結果精確，提高了實驗的趣味性.

1 智能手機傳感器實驗的發(fā)展歷程

1.1 萌芽期(2005-2012年)

文獻[3]2005年報道最早通過智能手機來驗證一些物理現(xiàn)象：聲音是由物體振動產生的；聲音的傳播需要介質；電磁波能在真空中傳播；靜電屏蔽[3].時隔4年，文獻[4]2009年報道，在前者的基礎上更進一步地多做了幾種演示實驗：無線電波傳播速度大于聲波傳播速度、共振現(xiàn)象、電流的熱效應、慣性現(xiàn)象[4].文獻[5]報道了利用手機屏幕探測遙控器發(fā)出的紅外線[5].

此后，文獻[6]的作者將“移動學習”引入課堂，他開創(chuàng)性地利用光傳感器演示光線明亮程度與屏幕是否黑屏的關系[6].文獻[7]的作者則更多方面地利用手機傳感器來輔助教學，包括：利用方向傳感器判斷實驗臺是否水平；利用磁感應傳感器探究磁場的方向和強度；通過加速度傳感器探究超重與失重現(xiàn)象；通過聲傳感器研究聲音的頻率；利用GPS傳感器測量物體的運動速度以及估算地球半徑[7].

國際方面，文獻[8]報道了利用智能手機攝像頭拍到的實驗圖像來輔助教學[8].文獻[9]報道了通過手機屏幕發(fā)出的光進行偏振光實驗[9].而文獻[10]報道,將手機放入真空玻璃罩中，驗證真空不能傳聲[10].

文獻[11]和[12]在前面幾位學者的基礎上，利用智能手機設計了新實驗：讓自由落體狀態(tài)的手機發(fā)出固定頻率聲波，同時在下方測定聲波的頻率變化曲線，再結合相關理論測出重力加速度g[11].

2012年，文獻[11]和[12]的作者在美國物理教師協(xié)會(AAPT)旗下的《The Physics Teacher》雜志上創(chuàng)設了“IPhysicsLab”專欄并擔任編輯.此專欄面向廣大教師征集將智能設備運用到物理實驗教學中的想法，并每月推出一篇相關文章[12].我國的期刊并未開設相應專欄.

在這一階段，智能手機作為一種新的實驗工具走入了國內外物理課堂，相關研究較少，且大多是定性的小型演示實驗.

1.2 發(fā)展期(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn利用智能手機加速度傳感器分別對自由落體、單擺和彈簧擺進行研究，并發(fā)表了3篇開創(chuàng)性文章[13～15].這3篇文章里的實驗思路先后被國內外諸多研究所借鑒，同時也拉開了智能手機物理實驗從定性研究向定量研究發(fā)展的序幕.

自2013年起，除《The Physics Teacher》之外，在英國皇家物理學會文獻庫(IOP)收錄的《Physics Education》以及《European Journal of Physics》等雜志上也開始陸續(xù)發(fā)表智能手機傳感器實驗的文章.

近年來，為提高青稞單位面積產量，把科學施肥、測土配方、機耕機播、病蟲草害防治、種子精選、種子包衣和土壤處理作為重點措施進行推廣。2016年，林芝市農牧技術推廣中心開展下鄉(xiāng)科技服務80余人次，開展科技培訓1萬多人次。以上科學技術的推廣應用，對于穩(wěn)定糧食生產、保障有效供給、全面建成小康社會和保持農牧民持續(xù)穩(wěn)定增收具有重要作用，為確保林芝市青稞安全、有效供給做出了應有貢獻。

截止到2018年4月，本文搜索到的智能手機傳感器實驗相關研究文章100余篇，世界各國的教育工作者紛紛參與到這項研究之中，不難想象，智能手機傳感器實驗在將來會有更加長足的發(fā)展.

2 智能手機傳感器實驗的分類介紹

智能手機傳感器在中學物理實驗中的研究成果已涵蓋了力學、電磁學、聲學以及拓展實驗等多個領域.本文根據所查閱的相關文獻，對上述4個分類進行整理.

2.1 力學實驗

重力加速度g是一個非常重要的物理量.Vogt(2012)讓智能手機從高度h開始做自由落體運動,如圖1所示[13]，同時用手機加速度傳感器記錄手機下落的時間t，再根據運動公式

(1)

求出重力加速度g.

圖1 手機做自由落體運動

如圖2所示,對于單擺運動[14]，Vogt(2012)利用手機加速度傳感器記錄加速度和時間的關系圖，再通過峰值間的間隔得出單擺周期T，最后依據單擺周期公式

(2)

在已知擺長l的情況下求得重力加速度g.

圖2 手機做單擺運動

此外，還可以將手機靜止放置，通過放置信號源測出重力加速度值.文獻[16]報道，用小磁鐵代替手機運動，利用手機磁感應傳感器進行實驗[16].文獻[17]指出，用小鐵球當擺球，將手機放置在鐵球的正下方，使擺球能貼著手機擺過，利用磁感應傳感器App測得周期，算出重力加速度g[17].

對于向心加速度，文獻[18]報道，將手機固定在木板上，讓馬達帶動木板轉動，如圖3所示，再將運動半徑r和周期T代入公式

(3)

求出向心加速度的值，與手機顯示的值相比較，結果較準確[18].

圖3 馬達帶動手機運動

文獻[19]報道，在轉動圓盤上某一固定位置放置手機，通過改變轉速來驗證向心加速度與角速度之間的關系[19].文獻[20]指出，在同一個轉動圓盤的不同位置上放置多個手機,如圖4所示，此時所有手機的角速度相同，可以驗證向心加速度與運動半徑的關系[20].

圖4 同一圓盤上不同手機的轉動

文獻[21]報道，發(fā)現(xiàn)一款App“AccelVisu”可以即時顯示加速度的方向和大小.將智能手機掛在鐘擺上運動，可以顯示加速度的方向指向圓心，如圖5所示；將智能手機放在水平導軌上運動，如圖6所示，可以幫助學生更直觀地觀測到速度方向與加速度方向之間的關系[21].

圖5 手機做圓周運動實驗

圖6 手機在水平導軌上運動

牛頓第二定律是國內外中學物理的重要知識點，文獻[22]報道，將智能手機帶進娛樂場的“跳樓機”上,如圖7所示，將App測得的數據代入牛頓第二定律，計算出跳樓機對身體的作用力[22].

圖7 “跳樓機”

文獻[23]報道，把智能手機綁在滑塊上，使滑塊從斜面上滑下，如圖8所示.利用手機的加速度傳感器App記錄下滑時的加速度a，再根據關系式

a=gcosθ(tanθ-μk)

(4)

在已知當地重力加速度g及斜面傾角θ的情況下求出滑動摩擦系數μk[23].

圖8 測量斜面摩擦系數實驗

文獻[24]指出，利用加速度傳感器App上顯示的圖像給學生演示動量定理[24].文獻[25]報道，將兩個手機分別固定在兩個小車上，每輛小車前段固定一個環(huán)形彈片,如圖9所示，用小車碰撞前后的速度值驗證動量守恒[25].

圖9 動量守恒實驗

2.2 電磁學實驗

磁現(xiàn)象是物理學重要的研究對象，但數字化實驗室價位較高，難以在中學物理課堂廣泛應用，手機磁感應傳感器則給一些定性的小實驗帶來許多便捷.除了探究通電環(huán)型線圈周圍的磁場[7]，文獻[26]和[27]的作者先后探究了條形磁鐵、通電直導線、指南針周圍的磁場方向及大小，讓智能手機更豐富地助力課堂教學[26，27].

為了測磁感應傳感器的位置，文獻[28]的作者將小磁鐵緊貼手機屏幕(以iPhone5為例)移動，找到磁感應強度最大的位置，那么這個位置就是磁感應傳感器所在方位,如圖10所示.他將一塊小磁鐵放在畫直角坐標系的白紙上，如圖11所示，利用手機磁感應傳感器測定了距離x與磁感應強度B成反比的關系，并繪制出B-x空間分布曲線[28].

圖10 磁感應傳感器的位置

圖11 測空間磁感應強度

2.3 聲學實驗

在“聲音特性”的一些演示實驗中，需要用到示波器來觀察波形圖，但并非所有中學都配備示波器，針對這一問題，文獻[29]和[30]的作者利用智能手機聲傳感器演示教材中的實驗，還對生活中的一些聲現(xiàn)象(酒瓶、音叉、樂器的發(fā)聲)進行分析[29,30].

利用智能手機聲傳感器來做聲學實驗還可以克服主觀性太強的問題.例如多普勒效應，文獻[31]中提出可以利用聲傳感器來探究多普勒現(xiàn)象[31]，而文獻[32]的作者則將其運用到教學中，他根據觀察者或者波源的相對運動進行了更細致的定量測量，且實驗效果明顯[32].

2.4 拓展實驗

硬件方面，文獻[33]的作者較早提出利用安卓手機傳感器和外擴傳感器，共同構建物理工具箱，擴大實驗類型，使學生操作更具有真實感[33].文獻[34]報道將手機與力傳感器相連，再利用傳感器App“SPARKvue”研究小球做圓周運動時對繩子的張力[34].文獻[35]報道將智能手機外接溫度傳感器測定溫度,如圖12所示，填補了手機傳感器在中學熱學實驗中的應用這一空白[35].

針對課后實驗，一些學者也提出了自己的看法.人教版物理教材八年級上冊有關于“怎樣才能更加準確地測量硬幣的直徑”的交流活動，文獻[36]的作者利用手機App“ON直徑測量”進行實驗，結果也較精確[36].又如，物理教材八年級上冊介紹了水瓶琴實驗，文獻[37]中用手機軟件進行證實，發(fā)現(xiàn)教材中給出的參考方案不夠科學，無法實現(xiàn)[37].

圖12 手機外接溫度傳感器

3 智能手機傳感器實驗的優(yōu)點及意義

智能手機除了給中學物理實驗帶來許多新的思路，也在大學物理實驗中被廣泛應用[38]，可見，智能手機作為一種新的實驗設備，具有很多獨特的優(yōu)點.

3.1 售價適中 普及率高

隨著科學技術的不斷發(fā)展，售價千元左右的智能手機就內置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應傳感器、陀螺儀、溫度傳感器等10余種傳感器，相比一套價格在萬元左右的DIS數字傳感系統(tǒng)，相對低廉的價格使得智能手機更容易被普及.

3.2 測量數據方便、準確

使用DIS系統(tǒng)會很容易受到數據線長度的限制，相反，智能手機既可以利用App實現(xiàn)數據測量、采集一體化，也可以不受任何限制地被安置在任何地方進行實驗，還可以根據實際需要直接在手機上做進一步數據處理[38]．

4 智能手機在中學物理實驗中的應用展望

近年來，翻轉課堂、微課、STEM 等現(xiàn)代教育模式逐漸興起，給智能手機在教學中的應用提供了不小的空間，它既可以被用于中學的課堂實驗教學，也可以進行研究性學習、課外實踐等活動，比如利用智能手機進行課堂管理、即時進行教學演示等.

本文僅僅討論了到目前為止智能手機在中學物理實驗中的應用，而智能手機有10余種傳感器，每一種傳感器都可以開發(fā)出許多對應的物理實驗.可見，利用智能手機做物理實驗的應用前景是非常廣闊的.