李學智
摘?要:隨著智能手機的普及,手機傳感器逐漸被應用到物理實驗教學中.以動摩擦因數(shù)的測量為例,介紹手機傳感器在物理實驗教學中的應用.
關鍵詞:物理實驗;動摩擦因數(shù);智能手機;手機傳感器
文章編號:1008-4134(2020)11-0055中圖分類號:G633.7文獻標識碼:B
動摩擦因數(shù)是高中階段一個比較重要的物理量,關于動摩擦因數(shù)的測量教材并沒有介紹,高考考綱對此也未作要求,但近年高考試題中關于測量動摩擦因數(shù)的實驗時常出現(xiàn).一些一線教師雖對測量動摩擦因數(shù)的實驗進行研究、總結[1-3],但無論是從力的角度設計實驗還是從能量的角度設計實驗,基本上都采用傳統(tǒng)的實驗手段.本文以動摩擦因數(shù)的測量為例,介紹手機傳感器在高中物理實驗教學中的應用.
1?實驗原理
如圖1所示,將手機和木塊視為一個整體,設其總質量為m,調節(jié)斜面傾角α,使木塊和手機可沿斜面加速下滑,加速度為a.
由牛頓第二定律可得?mgsinα-f=ma(1)
由平衡條件可得?FN-mgcosα=0(2)
又?f=μFN(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)可得?μ=gsinα-agcosα(4)
實驗時,通過手機Phyphox軟件測量本地重力加速度g、斜面傾角α及木塊下滑時的加速度a,即可得到木塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)μ.
2?實驗裝置及步驟
如圖2所示,完成本實驗需要裝有Phyphox軟件的智能手機、長木板、小木塊、紙箱及雙面膠.
(1)將手機水平置于桌面,打開手機Phyphox軟件,選擇“含(g)的加速度”,點擊開始鍵,可測得本地重力加速度g=9.83m/s2(如圖3所示).
(2)將長木板平放在水平桌面上,小木塊置于長木板上,用紙箱將長木板的一端墊高,使小木塊能沿長木板下滑.
(3)用雙面膠將手機固定在小木塊上,打開Phyphox軟件,選擇“斜面”,點擊開始鍵,測得長木板的傾角α=19.12°(如圖4所示).
(4)選擇“加速度(不含g)”,點擊開始鍵,釋放小木塊,記錄小木塊運動過程中的加速度a=0.68m/s2(如圖5所示).
(5)移動紙箱的位置以改變長木板的傾角,重復(3)、(4)的實驗過程,可獲得多組數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)填入表1.
3?數(shù)據(jù)處理及分析
利用(4)式可求得木—木間的動摩擦因數(shù),測量值見表2.
人教版課本中給出木—木間的動摩擦因數(shù)為0.3,但由于實驗中所使用的小木塊表面涂有清漆,使得動摩擦因數(shù)的測量值偏小.若將小木塊換成鐵塊、書本或將長木板換成玻璃板、鋼板等不同材料,根據(jù)同樣的辦法即可測量不同材料之間的動摩擦因數(shù).
為了獲得準確的實驗數(shù)據(jù),在測量小木塊加速度時應選擇“定時運行”,設置啟動延時和實驗時長,以獲取小木塊穩(wěn)定下滑過程的加速度,且隨著長木板傾角的增大,啟動延時和實驗時長的數(shù)值應逐漸減小.
4?結束語
加快信息化時代教育變革是《中國教育現(xiàn)代化2035》的任務之一.但信息化的實驗設備在鄉(xiāng)鎮(zhèn)學校甚至一些縣城學校都還未普及,然而高中生中智能手機幾乎人手一部,結合一些手機APP軟件合理利用智能手機中的傳感器開展實驗教學,以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化,是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的一種有效途徑.
利用智能手機中的傳感器設計物理實驗不需要專門的實驗設備,如探究超重與失重[4]、自由落體運動、蹦極[5]、單擺周期和擺長的關系[6]、驗證向心加速度與角速度的關系[7]等,使得物理實驗生活化,實驗探究常態(tài)化,有利于提高學生的科學探究能力,是落實物理學科核心素養(yǎng)的一種有效方法.
近年來因手機引發(fā)的各種校園沖突事件時常發(fā)生,智能手機對學生身心及學業(yè)的影響已經(jīng)引起人們的普遍關注,不同學校根據(jù)實際情況制定手機管理規(guī)定,但“堵”不如“疏”,引導學生合理利用智能手機進行物理實驗探究,使學生由玩“機”喪志轉變?yōu)橥妗皺C”激趣,這也是提高學生學習興趣的有效策略.
參考文獻:
[1]鄭行軍.測動摩擦因數(shù)的實驗命題設計研究[J].物理之友,2017,33(04):33-34+36.
[2]王春旺.測量動摩擦因數(shù)的六種實驗方案和典例分析[J].中學物理教學參考,2013,42(03):68-72.
[3]張波.綜述測量動摩擦的四種方法[J].中學物理教學參考,2011,40(10):6-7.
[4]丁彥龍,馬廣平,付靜.基于手機加速度傳感器的高中物理實驗教學探索[J].中學物理,2019,37(05):30-32.
[5]康賢明.借助Phyphox軟件用手機做物理實驗[J].物理之友,2019,35(03):36-37+39.
[6]糜雪.淺談智能手機在高中物理實驗教學中的應用[J].物理之友,2019,35(08):40-42.
[7]惠宇潔.智能手機在物理實驗教學中的應用探討[J].物理教學探討,2018,36(07):70-72.
(收稿日期:2020-01-01)