王麗君

(安徽省蕪湖市中江中學(xué)，安徽 蕪湖 241000)

發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)是高中物理課程目標(biāo)，科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要方面。科學(xué)探究是指基于觀察提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)中學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑。

實(shí)驗(yàn)是物理研究的重要方法，演示實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)的一種形式，在物理課堂教學(xué)中不可或缺，實(shí)驗(yàn)效果直接影響課堂教學(xué)效果。傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往面臨諸多問題，如實(shí)驗(yàn)儀器較為陳舊、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察、實(shí)驗(yàn)精度不夠、數(shù)據(jù)采集和分析困難等，常常達(dá)不到預(yù)期效果，給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來很大的挑戰(zhàn)。在實(shí)際教學(xué)過程中，大多數(shù)老師會(huì)采用減少課堂演示實(shí)驗(yàn)的方式來應(yīng)對(duì)，使本來就不多的課堂實(shí)踐環(huán)節(jié)變得更少，難以將理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，造成部分學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣下降。

現(xiàn)代通信技術(shù)飛速發(fā)展而且已經(jīng)普及，智能手機(jī)集成了多種傳感器，手機(jī)中的傳感器不僅性能越來越強(qiáng)，精度也在逐步提高。將手機(jī)傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，不但能節(jié)省大量資源，同時(shí)也在一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺等問題，使學(xué)生能通過手機(jī)更加直觀形象地觀察和記錄物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得更加直觀和高效。

Phyphox手機(jī)App基于智能手機(jī)所配備的傳感器，創(chuàng)建了輔助物理實(shí)驗(yàn)的工具箱，它突破了傳統(tǒng)傳感器操作空間的局限，拓展了物理課外實(shí)驗(yàn)的范圍，且有成本低、方便實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，為物理量的測(cè)量提供了新的工具，諸如加速度傳感器、磁傳感器、陀螺儀(旋轉(zhuǎn)傳感器)、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、溫度和濕度傳感器等。目前可實(shí)現(xiàn)29種測(cè)量功能，如加速度、角速度、光照強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、壓力、聲音的振幅和頻率等物理量的測(cè)量。本文基于Phyphox手機(jī)APP，利用手機(jī)的加速度傳感器，對(duì)牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

探究牛頓第二定律時(shí)采用控制變量方法。

(1) 控制兩個(gè)物體質(zhì)量之和保持不變，利用手機(jī)中加速度傳感器測(cè)出物體在運(yùn)動(dòng)過程中加速度隨合外力變化的情況，作物體加速度a與合力(M1-M2)g的圖像，進(jìn)而得出結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)總質(zhì)量不變時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的加速度與其所受合外力的成正比。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)器材為:2 g鉤碼若干、定滑輪、細(xì)繩、內(nèi)置加速度傳感器的手機(jī)兩部等。

圖1

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 分別測(cè)出左側(cè)鉤碼和手機(jī)總質(zhì)量M1以及右側(cè)鉤碼和手機(jī)總質(zhì)量M2，將懸掛有鉤碼的兩部手機(jī)分別懸掛在滑輪兩側(cè)，保持總質(zhì)量不變，測(cè)得手機(jī)質(zhì)量為194 g。調(diào)整好裝置，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

(2) 打開兩側(cè)手機(jī)中的Phyphox App中測(cè)加速度(不含g)的項(xiàng)目(圖2)，釋放物體，當(dāng)物體快落地時(shí)停止并記錄數(shù)據(jù)(圖3)。

圖2

圖3

(2) 將裝置恢復(fù)原狀，從質(zhì)量較大的一側(cè)取下一只鉤碼掛到另外一側(cè)，再次打開手機(jī)“Phyphox”App中測(cè)加速度(不含g)項(xiàng)目，釋放物體，并記錄數(shù)據(jù)。如此多次改變兩側(cè)鉤碼的數(shù)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)保證兩側(cè)物體的總質(zhì)量之和不變，測(cè)出在不同合外力作用下物體加速度的變化情況，再根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)作a-F圖像。

4 數(shù)據(jù)記錄與處理

利用加速度傳感器可記錄x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上加速度隨時(shí)間的變化圖像，但由于該實(shí)驗(yàn)中物體在豎直方向上做直線運(yùn)動(dòng)，所以只需讀出豎直方向的加速度，同時(shí)在其余兩個(gè)方向上的加速度為0，也說明了物體在豎直方向上做變速運(yùn)動(dòng)，加速度的絕對(duì)值如圖3所示，利用加速度—時(shí)間圖像求出加速度平均值，將各組物體在豎直方向上的加速度數(shù)據(jù)記錄在表1中。根據(jù)M1和M2的測(cè)量值求出合力(M1-M2)g的大小，記錄到表1中。

表1

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel作a-F圖像(圖4)，從中可以得出結(jié)論：在總質(zhì)量(M1+M2)保持不變的情況下，物體的加速度與物體所受的合外力成正比。

圖4

表2

圖5

5 結(jié)語

利用智能手機(jī)內(nèi)置的傳感器和Phyphox App開展牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)，可以較準(zhǔn)確地得到加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接從Phyphox手機(jī)App中讀出，精確度比傳統(tǒng)方法高，方法更簡便。由于實(shí)驗(yàn)器材來源于生活，既可以用于課堂演示實(shí)驗(yàn)，也適合學(xué)生自主探究，實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)了趣味性和創(chuàng)新性，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路和方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)探究精神。