殷永娟

(浙江省安吉縣高級中學(xué),浙江 湖州 313300)

1 引言

智能手機集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器,使得測量結(jié)果更準(zhǔn)確、操作更方便。Phyphox軟件是基于手機中傳感器而設(shè)計開發(fā)的物理實驗軟件(圖1),使手機成為物理實驗教學(xué)的新工具。

圖1

加速度是高中物理中一個非常重要的物理量,但測量起來并不方便,用手機可以測出常見的加速度值，探究加速度與其他物理量的關(guān)系，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 利用Phyphox測量重力加速度

圖2

圖3

圖4

利用單擺測量重力加速度的實驗關(guān)鍵在于對單擺振動周期的準(zhǔn)確測量。實驗結(jié)果表明：利用智能手機可以測量單擺的振動周期,測量結(jié)果準(zhǔn)確。同時該實驗又兼具趣味性與創(chuàng)新性，為物理實驗教學(xué)提供了新的思路。

3 利用Phyphox探究向心加速度與半徑、角速度之間的關(guān)系

“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》規(guī)定的學(xué)生必做實驗，是教學(xué)的重難點,而傳統(tǒng)的向心力演示儀只能定性分析向心力與半徑、角速度的關(guān)系。要得到向心力具體表達(dá)式，需要確定向心加速度與半徑、角速度的定量關(guān)系。

“向心加速度”傳感器可以得到任意時刻的向心加速度,也可以繪制出a-r、a-ω2圖像，探究a與半徑r、角速度ω的關(guān)系。

3.1 探究向心加速度a與半徑r的關(guān)系

如圖5所示，在圓桌面上放置兩部手機,轉(zhuǎn)動圓桌面,手機屏上顯示a-t圖,找到同時刻對應(yīng)的加速度值,將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出(表1),并計算出a1/a2的值,其平均值為2.61,再分別測出傳感器到圓心的距離r1=40.15cm、r2=15.40cm，r1/r2=2.607，與加速度之比基本相同，這樣可以得出結(jié)論:當(dāng)角速度相同時,向心加速度與半徑r成正比。

圖5

表1

3.2 探究向心加速度a與角速度ω之間的關(guān)系

如圖6所示，將手機綁在倒置的自行車后輪里,轉(zhuǎn)動腳踏板,得到a-ω及a-ω2的散點圖(圖7)。a-ω圖像中點跡明顯不在一條直線上，對a-ω2散點圖進(jìn)行擬合(圖8)，容易看出:向心加速度a與角速度ω的平方成正比,改變手機的位置,重復(fù)上述實驗,則a-ω2圖像的斜率不同。

圖6

圖7

圖8

綜合以上兩個實驗的結(jié)果，可以得到結(jié)論：向心加速度與半徑成正比、與角速度的平方成正比，即a=ω2r,再根據(jù)F=ma可以得到向心力公式。用手機完成探究實驗，操作方便、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，通過定量探究得到物理規(guī)律,更有說服力。

4 Phyphox軟件應(yīng)用于學(xué)生課外探究

(1)把手伸直,用手托著手機，打開手機加速度傳感器，釋放手機讓手機離開手掌做自由下落，讓手機落在軟墊上,觀察手機屏幕上落到軟墊后的a-t圖像(圖9),學(xué)生經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn)：加速度不斷減小。

圖9

(2)迅速下蹲、起立的a-t圖像如圖10所示，可引導(dǎo)學(xué)生探究失重和超重現(xiàn)象。

圖10

(3)將手機固定在洗衣機桶壁上,按下向心加速度按鈕,再按下洗衣機的脫水鍵，得到的a-t圖如圖11所示。

圖11

學(xué)生親自用手機完成實驗會感到很新奇而且有成就感,對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣,他們的探究能力和創(chuàng)新能力也有了很大的提升。

5 結(jié)語

Phyphox軟件功能豐富，可用來做諸多實驗，智能手機輕巧便攜,可以打破做實驗的時空限制。教師的實驗教學(xué)方式可實現(xiàn)靈活多樣,同時學(xué)生也擁有自由的實驗空間,這樣可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心。