梁鵬

現(xiàn)代信息化技術(shù)加持下，如何利用智能手機(jī)傳感器進(jìn)行高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究是一項(xiàng)重要的教學(xué)工作內(nèi)容。通過對(duì)智能手機(jī)傳感器的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，提高實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)踐研究，驗(yàn)證了智能手機(jī)傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)中的可行性和有效性。智能手機(jī)傳感器作為一種便捷、經(jīng)濟(jì)、易操作的實(shí)驗(yàn)工具，為高中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)提供了新的可能性，對(duì)于推動(dòng)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展具有重要意義。

一、研究的背景

（一）智能手機(jī)的迅速普及

現(xiàn)階段，智能手機(jī)在我國(guó)高中生群體中迅速普及。高中生普遍能夠熟練應(yīng)用智能手機(jī)，為應(yīng)用智能手機(jī)傳感器開展高中物理教學(xué)奠定了良好的基礎(chǔ)。

（二）各種教學(xué)App的興起

眾多物理教學(xué)App的出現(xiàn)能幫助教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)各種物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效模擬。同時(shí)，App還在不斷地改進(jìn)和更新，研發(fā)出了各種模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，為學(xué)生帶來更好的體驗(yàn)，更好地幫助高中生掌握復(fù)雜的物理知識(shí)點(diǎn)。

（三）學(xué)生的迫切需求

高中物理學(xué)的知識(shí)點(diǎn)在課改后更加豐富，考查方式更加多樣，與生活的聯(lián)系也更加緊密。所以，學(xué)生迫切需要一種新型有效、易于操作、更為直觀的實(shí)驗(yàn)方式。合理使用各類物理教學(xué)App能幫助教師解決學(xué)生的學(xué)習(xí)痛點(diǎn)。學(xué)生通過簡(jiǎn)單的操作，就可以觀察到實(shí)驗(yàn)效果，理解復(fù)雜的物理原理，減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

二、智能手機(jī)傳感器簡(jiǎn)要介紹

（一）重力傳感器

重力傳感器是將被測(cè)量物體的重力變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而影響手機(jī)屏幕圖像方向等功能的一種元器件，對(duì)于力學(xué)方面知識(shí)的教學(xué)具有一定幫助。日常生活中手機(jī)屏幕橫豎狀態(tài)的改變就是此類傳感器應(yīng)用的具體體現(xiàn)。

（二）光線傳感器

光線傳感器是將光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種元器件。這種感應(yīng)器可以自動(dòng)感應(yīng)外界環(huán)境的亮度，從而調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕的亮度。在日常生活中，智能手機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度的功能就是應(yīng)用了這一傳感器的緣故。

（三）溫度傳感器

智能手機(jī)中的溫度傳感器是一種用于測(cè)量環(huán)境溫度的傳感器。它通常位于手機(jī)的主板或其他適當(dāng)位置，并通過內(nèi)置的電路和軟件來測(cè)量周圍環(huán)境的溫度。溫度傳感器可以幫助用戶了解當(dāng)前環(huán)境的溫度情況，以便作出相應(yīng)的調(diào)整。例如：在炎熱的夏天，溫度傳感器可以提醒用戶注意防暑降溫；在寒冷的冬天，它可以提醒用戶注意保暖。此外，溫度傳感器還可以用于監(jiān)測(cè)手機(jī)的溫度，以防止溫度過高損壞手機(jī)?？傊?，溫度傳感器是智能手機(jī)中一個(gè)重要的功能，為手機(jī)提供有用的環(huán)境信息，進(jìn)而保護(hù)手機(jī)。

（四）壓力傳感器

智能手機(jī)中的壓力傳感器是一種能夠測(cè)量外部壓力的裝置。它通常由微小的薄膜或彈簧組成。當(dāng)外部施加壓力時(shí)，傳感器會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。這些信號(hào)可以被智能手機(jī)的處理器解讀，并用于各種應(yīng)用。壓力傳感器在智能手機(jī)中有多種用途。首先，它用于測(cè)量用戶對(duì)手機(jī)屏幕的按壓力度，從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏的多點(diǎn)觸控功能。這使得用戶可以通過不同的按壓力度實(shí)現(xiàn)不同的操作，例如輕按、重按或長(zhǎng)按。此外，壓力傳感器還用于檢測(cè)用戶的手指位置和手勢(shì)。通過測(cè)量手指對(duì)手機(jī)背面的壓力分布，智能手機(jī)可以識(shí)別用戶的手指位置，從而實(shí)現(xiàn)更精確的手勢(shì)控制。壓力傳感器還可以用于健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用。例如，將手指輕輕放在智能手機(jī)的壓力傳感器上，可以測(cè)量用戶的脈搏和血壓，并提供相關(guān)的健康數(shù)據(jù)。

三、智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

（一）重力傳感器在重力實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一個(gè)滑塊從靜止?fàn)顟B(tài)往下滑動(dòng)時(shí)，可以得知其會(huì)做加速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第二定律，在明確滑塊本身的質(zhì)量、重力加速度、滑塊本身的加速度、斜面傾斜角度的前提下，可以計(jì)算出滑塊表面和斜坡表面的摩擦因數(shù)。因?yàn)檫@一公式的復(fù)雜性，所以一般的實(shí)驗(yàn)用具很難進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)算，但是通過智能手機(jī)上的重力傳感器，可以精準(zhǔn)地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)需要一塊足夠長(zhǎng)的木板、有重力傳感器和加速度傳感器的智能手機(jī)一部、固定手機(jī)的支架及小滑塊。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（員）打開手機(jī)，檢查手機(jī)電量，避免手機(jī)在實(shí)驗(yàn)中突然關(guān)機(jī)。

（圓）用手機(jī)測(cè)量斜面的傾斜角度。本次實(shí)驗(yàn)的傾斜角度為5毅，在25毅到45毅之間的斜面上，滑塊的加速度大小要被準(zhǔn)確地予以測(cè)量。

（猿）調(diào)節(jié)木板到指定的角度，將手機(jī)和滑塊固定在一起，保證其牢固性。打開手機(jī)的加速度傳感器。將滑塊放在木板上，保證滑塊和木板是緊密貼合的。同時(shí)，標(biāo)記好手機(jī)的位置。

（源）讓滑塊和手機(jī)整體向下滑，當(dāng)快要到達(dá)木板尾部時(shí)，將滑塊抽出，并及時(shí)暫停傳感器的記錄。

（緣）按照第（圓）步的要求逐漸改變相應(yīng)的傾斜角度，重復(fù)第（猿）步和第（源）步，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)予以詳細(xì)記錄。

4.討論結(jié)論

將相應(yīng)的數(shù)據(jù)整理成表格，并將數(shù)據(jù)連線，觀察線條的走向趨勢(shì)，計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)摩擦因數(shù)和相關(guān)系數(shù)。將得到的動(dòng)摩擦因數(shù)和公認(rèn)值加以比較，確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果兩者的誤差較小，在依0.05以內(nèi)，則可以接受，本次實(shí)驗(yàn)成功。

（二）光線傳感器在光學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)原理

本次實(shí)驗(yàn)以泊松亮斑為例。根據(jù)教材介紹，單色光照到小圓盤上的時(shí)候，會(huì)在后方的投影屏上出現(xiàn)同心圓形狀的明暗相間的條紋。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常明亮的小亮點(diǎn)在同心圓的中心閃動(dòng)，就是泊松亮斑。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)需要智能手機(jī)、激光筆、凹透鏡、小鋼珠、磁鐵、干凈的墻面。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（員）將小鋼珠用磁鐵固定好，并保證凹透鏡和磁鐵呈直線擺放。同時(shí)，保證此條直線和后方的墻面呈垂直狀態(tài)。

（圓）將激光筆打開，讓其發(fā)出的光線穿過凹透鏡后，發(fā)散成較大的光束。學(xué)生要沿著光的方向?qū)ふ业揭粋€(gè)直徑略大于鋼珠的位置，然后移動(dòng)手機(jī)。

（猿）打開手機(jī)的App，建立一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，將手機(jī)的光線傳感器移動(dòng)到項(xiàng)目中，并打開。同時(shí)，選擇采集數(shù)據(jù)的頻率。

（源）將手機(jī)的前置攝像頭對(duì)準(zhǔn)光斑，在界面中查看相應(yīng)的圖像。通過圖像觀察條紋和小亮點(diǎn)。

4.討論結(jié)論

通過繪制亮度隨時(shí)間變化的圖像，可分析出光度的強(qiáng)弱呈現(xiàn)出交替變化的特性。聯(lián)系課本知識(shí)，可以發(fā)現(xiàn)圖像的形狀由數(shù)個(gè)波峰、波谷組成，從而進(jìn)一步明確了光的波動(dòng)特性。

（三）溫度傳感器在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)原理

氣體的體積不斷縮小，使得分子勢(shì)能降低，導(dǎo)致內(nèi)能增加，最終在平均動(dòng)能增加的前提下，氣體溫度進(jìn)一步升高。如果不采用智能手機(jī)傳感器，這種溫度的變化很難被一般的實(shí)驗(yàn)儀器監(jiān)測(cè)到。手機(jī)中的溫度傳感器因其對(duì)溫度變化的靈敏度較高，可以將溫度變化轉(zhuǎn)換成可觀察的輸出信息，從而開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過獲取準(zhǔn)確的溫度變化值，繪制溫度變化曲線圖，從而得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)用到智能手機(jī)1部、體積不同的注射器2只、金屬支架2個(gè)（用來固定注射器）以及溫度傳感器金屬探測(cè)器員個(gè)。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（員）選擇體積較小的注射器，將其固定在支架上，注意檢查是否牢固。將金屬探測(cè)器與智能手機(jī)相連接，注意連接的緊密度，避免在實(shí)驗(yàn)的過程中脫落。啟動(dòng)手機(jī)中的溫度傳感器。

（圓）將金屬探針插入注射器當(dāng)中。在這個(gè)過程中，注意接口的閉合性。要事先對(duì)活塞的位置進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)記。用手迅速推動(dòng)注射器活塞，此時(shí)，用溫度傳感器記錄溫度的變化情況。

（猿）選擇體積較大的注射器，在和體積較小的注射器一樣的位置處推動(dòng)注射器活塞，注意推動(dòng)的力度要和第（圓）步的力度相一致，并用溫度傳感器記錄溫度的變化情況。

（源）待溫度傳感器的溫度恢復(fù)后，從標(biāo)記的位置緩慢地推動(dòng)活塞，并再次用溫度傳感器對(duì)溫度的變化進(jìn)行記錄。

（緣）為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，重復(fù)上面的源個(gè)步驟，反復(fù)猿次，獲得猿組數(shù)據(jù)。

4.討論結(jié)論

通過將獲得的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，可以看到溫度隨時(shí)間變化的圖像。隨機(jī)選擇幾個(gè)時(shí)刻的數(shù)值填列到表格之中。通過對(duì)表格和圖像的綜合分析，可以得出結(jié)論：隨著注射器活塞的推動(dòng)，溫度有所上升。此結(jié)論反映出的原理是：物體做功將導(dǎo)致溫度增加，且物體做功的速度越快，溫度上升得越快。

（四）電磁場(chǎng)傳感器在電磁學(xué)方面的應(yīng)用

1.實(shí)驗(yàn)原理

任何帶電的物體周圍都存在電場(chǎng)，任何放入電場(chǎng)的電荷都會(huì)受到電場(chǎng)力的影響。同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引。電場(chǎng)力的強(qiáng)弱很難被觀測(cè)到，為此可以通過繪制有方向的曲線，并通過曲線的密集程度表示電場(chǎng)力的大小。但是，電場(chǎng)線是一種人為假想的線條，實(shí)際中并不存在，不能被觀察和感知。為此，可以通過手機(jī)中的實(shí)驗(yàn)室功能，向?qū)W生展示電場(chǎng)中電荷的分布情況。同時(shí)，在模擬電場(chǎng)中放入電荷，就可以對(duì)其動(dòng)能大小、速度大小進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

需要一部帶有仿真實(shí)驗(yàn)室App的智能手機(jī)。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（員）打開相應(yīng)的App，選擇電磁實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以看到有正電荷、負(fù)電荷、正檢驗(yàn)電荷、負(fù)檢驗(yàn)電荷可供選擇。

（圓）選擇一個(gè)正電荷對(duì)其進(jìn)行全面的研究。將正電荷放入仿真實(shí)驗(yàn)桌面上，當(dāng)電場(chǎng)線出現(xiàn)時(shí)，點(diǎn)擊正電荷。這時(shí)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)：速度、動(dòng)能、質(zhì)量、電荷量。對(duì)電荷量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察電場(chǎng)線的變化，對(duì)變化進(jìn)行詳細(xì)的記錄。再選擇一個(gè)正的試電荷，將其靠近場(chǎng)源電荷，觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)試電荷的速度、時(shí)間、圖像進(jìn)行詳細(xì)的記錄。

（猿）清理實(shí)驗(yàn)桌面，選擇一個(gè)正電荷、一個(gè)負(fù)電荷將其放到桌面上。調(diào)節(jié)兩個(gè)電荷的電量直到兩者電量相同，觀察正、負(fù)電荷電場(chǎng)線的分布情況，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的記錄。

（源）選擇正的試探電荷，將其在兩個(gè)等量異種電荷的電場(chǎng)中釋放，觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行記錄。

（緣）對(duì)上述（猿）和（源）的記錄進(jìn)行系統(tǒng)的梳理，并繪制相應(yīng)的圖像，依據(jù)圖像準(zhǔn)備分析。

（遠(yuǎn)）清理桌面，選擇等量的負(fù)電荷，觀察兩個(gè)電荷的電場(chǎng)線分布情況并進(jìn)行記錄。將一個(gè)正電荷放入電場(chǎng)中，觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)其實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析。

4.討論結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，電場(chǎng)線越密集的地方電場(chǎng)強(qiáng)度越大，并且場(chǎng)源正電荷是向外發(fā)射的。同時(shí)，通過系統(tǒng)的觀察可以看出越靠近場(chǎng)源電荷，電場(chǎng)線越密集。

四、現(xiàn)代信息化技術(shù)應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)的探究結(jié)論

（一）有利于將抽象的物理知識(shí)形象化

將現(xiàn)代信息化技術(shù)應(yīng)用于高中物理教學(xué)，有利于將抽象的物理學(xué)知識(shí)形象化地展示出來。學(xué)生通過觀察軟件展示出的動(dòng)畫，對(duì)于各種抽象的知識(shí)點(diǎn)有了更深入的了解。同時(shí)，通過手機(jī)傳感器的應(yīng)用，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的印象，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（二）有利于培養(yǎng)學(xué)生自身的探索能力

手機(jī)傳感器演示高中物理知識(shí)的過程，更利于學(xué)生自主探索深?yuàn)W的物理知識(shí)。通過自我設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)、總結(jié)結(jié)論、聯(lián)系理論知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究精神。同時(shí)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的不斷改變，可以讓學(xué)生將知識(shí)和自然環(huán)境、生活場(chǎng)景進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有利于知識(shí)的應(yīng)用。除此之外，因?yàn)閷W(xué)生掌握了一套可以通過智能手機(jī)研究物理的方法，使得高中生可以打破時(shí)空的限制，隨時(shí)隨地對(duì)感興趣的物理現(xiàn)象和沒有掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)研究，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。這對(duì)于學(xué)生日后從事更有深度的研究學(xué)習(xí)具有重要的意義。

五、結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代信息化技術(shù)應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)是未來物理教學(xué)的新方向，其本身涉及很多需要研究的新領(lǐng)域。這需要廣大教師和教學(xué)研究工作者共同努力，從理論和實(shí)踐兩個(gè)角度出發(fā)，推動(dòng)現(xiàn)代信息化技術(shù)背景下智能手機(jī)在高中物理實(shí)驗(yàn)中的有效應(yīng)用。最終目的是借助智能手機(jī)這一新生代的教學(xué)工具開啟我國(guó)高中物理教學(xué)的新篇章。

注：本文系甘肅省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度一般課題“現(xiàn)代信息化技術(shù)加持下高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究———以智能手機(jī)傳感器應(yīng)用為例”（課題編號(hào)：GS〔2022〕GHB0421）的研究成果。