喬寶義

利用手機(jī)借助Phyphox（手機(jī)物理工作坊）軟件，探究電容器充放電過(guò)程和自感對(duì)電路中電流的影響，開展兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取材方便，實(shí)驗(yàn)效果明顯，為沒(méi)有DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的中學(xué)提供了一個(gè)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案。

一、探究電容器的充放電過(guò)程的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

（一）教材實(shí)驗(yàn)方案呈現(xiàn)

人教版高中物理選修3—1《電容器的電容》一節(jié)中，在“做一做”欄目中提供了“用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)觀察電容器的放電過(guò)程”的實(shí)驗(yàn)方案：電流傳感器可以像電流表一樣測(cè)量電流，不同的是，它的反應(yīng)非常快，可以捕捉到瞬間的電流變化，將它與計(jì)算機(jī)相連，能在幾秒內(nèi)畫出電流隨時(shí)間變化的圖像。實(shí)驗(yàn)步驟如下：按照教材圖連接電路（電源用直流8V、電容器選幾十微法的電解電容器）。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電。然后把開關(guān)S擲向2端，電容器通過(guò)電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上顯示電流隨時(shí)間變化的I—t曲線。

（二）問(wèn)題的提出

電容器是學(xué)生在高中遇到的第一個(gè)非線性電學(xué)元件，電容器充放電實(shí)驗(yàn)對(duì)幫助學(xué)生理解電容器的特性和電容器的工作過(guò)程至關(guān)重要，了解電容器充放電過(guò)程電流呈現(xiàn)的特殊暫態(tài)變化有助于學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的交變電流知識(shí)。教材正文中提供的實(shí)驗(yàn)只是通過(guò)檢流計(jì)指針的變化對(duì)電容器充放電過(guò)程進(jìn)行了定性探究。然而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，充放電時(shí)間過(guò)于短暫，電表指針偏轉(zhuǎn)迅速，學(xué)生無(wú)法通過(guò)檢流計(jì)指針的擺動(dòng)看清電流的變化特點(diǎn)。本節(jié)教材“做一做”中提供了“DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)觀察電容器的放電過(guò)程”的實(shí)驗(yàn)方案，該實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)圖像清晰地展示電容器放電過(guò)程電流的變化情況。該實(shí)驗(yàn)方案需要借助電流傳感器和配套的系統(tǒng)軟件，使該實(shí)驗(yàn)在沒(méi)有傳感器系統(tǒng)的情況下無(wú)法開展。本文介紹如何利用唾手可得的智能手機(jī)Phyphox完成電容器充放電的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和手機(jī)投屏，使該實(shí)驗(yàn)變得易于開展且形象直觀。

（三）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)原理：智能手機(jī)中有一個(gè)指南針功能，利用的是手機(jī)內(nèi)置的磁場(chǎng)傳感器。借助Phyphox中的磁力計(jì)功能，可以顯示手機(jī)感受到外界磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)中將一個(gè)自感系數(shù)較小的線圈與電容器串聯(lián)，在電容器充放電時(shí)，電流會(huì)流過(guò)線圈，從而在線圈中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，線圈軸線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈中的電流成正比，線圈軸線上磁場(chǎng)的變化與線圈中電流的變化是一致的。通過(guò)手機(jī)探測(cè)線圈軸線上的磁場(chǎng)，利用Phyphox中的磁力計(jì)功能中的圖表數(shù)據(jù)，顯示磁場(chǎng)的變化情況，從而反映電流的變化特點(diǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)器材：線圈一個(gè)、學(xué)生電源一個(gè)、智能手機(jī)一部、電容器一個(gè)、開關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干。

3.實(shí)驗(yàn)步驟：利用智能手機(jī)在百度里搜索Phyphox并安裝；按照?qǐng)D1所示的電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路；利用手機(jī)投屏功能將手機(jī)畫面投屏到筆記本電腦或大屏幕上；打開手機(jī)上的Phyphox中的磁力計(jì)功能，選擇“簡(jiǎn)明值”，點(diǎn)擊開始按鈕（三角形按鈕），通過(guò)調(diào)整手機(jī)方位，使“磁力計(jì)X軸”數(shù)據(jù)為零，完成磁力計(jì)的調(diào)零；保持手機(jī)方位不變，選擇“圖表”，點(diǎn)擊開始按鈕（三角形按鈕），選擇界面中的“平移和縮放”通過(guò)雙指縮放使變化圖像收縮成一條直線，在“更多工具”中選擇“跟蹤新數(shù)據(jù)”；打開電源，閉合開關(guān)，觀察電容器充電時(shí)電流變化的動(dòng)態(tài)圖像；拆下電源，兩接線頭相接，觀察電容器放電時(shí)電流變化的動(dòng)態(tài)圖像；實(shí)驗(yàn)完畢，整理實(shí)驗(yàn)儀器。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論：通過(guò)圖像3可知，電容器充電過(guò)程中，充電電流逐漸減小，最終減小為零；通過(guò)圖4可知，電容器放電過(guò)程中，放電電流逐漸減小，最終減小為零；對(duì)比圖3和4可知，電容器充電電流的方向與放電電流的方向相反，但變化特點(diǎn)相同。

二、探究自感對(duì)電路中電流的影響的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

（一）教材實(shí)驗(yàn)方案呈現(xiàn)

人教版高中物理選修《互感和自感》一節(jié)，在“做一做”欄目中提供了“用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示自感對(duì)電路中電流的影響”的實(shí)驗(yàn)方案：按教材圖連接電路，可以看到，開關(guān)閉合時(shí)電流是逐漸增大的；拆掉線圈，按教材圖連接電路，可以看到，閉合開關(guān)時(shí)電流瞬間增大。

（二）問(wèn)題的提出

線圈對(duì)電路中電流的影響的認(rèn)識(shí)和理解，有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)楞次定律的理解，也是學(xué)生分析振蕩電路的基礎(chǔ)。所以做好“自感對(duì)電路電流的影響”的演示實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的。本節(jié)教材“做一做”欄目中提供了“用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)演示自感對(duì)電路的影響”的實(shí)驗(yàn)方案，該實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)圖像清晰地展示自感對(duì)電路中電流的影響，效果很好。但該實(shí)驗(yàn)方案需要借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得該實(shí)驗(yàn)在沒(méi)有DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況下無(wú)法開展。本文將介紹的實(shí)驗(yàn)方案，利用唾手可得的智能手機(jī)借助Phyphox來(lái)完成該實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果很好，實(shí)驗(yàn)易于開展。

（三）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)原理：智能手機(jī)中有一個(gè)指南針功能，利用的是手機(jī)內(nèi)置的磁場(chǎng)傳感器。借助Phyphox中的磁力計(jì)功能，可以顯示手機(jī)感受到的外界磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)中將一個(gè)自感系數(shù)較小的探測(cè)線圈串聯(lián)到電路里，流過(guò)自感線圈的電流會(huì)流過(guò)探測(cè)線圈，從而在探測(cè)線圈中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，探測(cè)線圈軸線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其中的電流成正比，線圈軸線上磁場(chǎng)的變與探測(cè)線圈中電流的變化是一致的。通過(guò)手機(jī)利用Phyphox中的磁力計(jì)功能，顯示磁場(chǎng)的變化情況，從而反映電路中電流的變化。

2.實(shí)驗(yàn)器材：線圈一個(gè)、學(xué)生電源一個(gè)、智能手機(jī)一部、可拆卸式變壓器一個(gè)、滑動(dòng)變阻器一個(gè)、開關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干。

3.實(shí)驗(yàn)步驟：按照?qǐng)D5所示的電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路；學(xué)生電源接交流6V，a、b間接入變壓器的一個(gè)線圈，閉合開關(guān)，觀察圖像；其他不變，將線圈拆下來(lái)，在a、b間接入滑動(dòng)變阻器，閉合開關(guān)，觀察圖像；實(shí)驗(yàn)完畢，整理實(shí)驗(yàn)儀器。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論：通過(guò)對(duì)比兩個(gè)圖像可知，電路中接入線圈，閉合開關(guān)時(shí)電流逐漸增大，線圈對(duì)電流的變化有阻礙作用。

本文中提供的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)教材給出的實(shí)驗(yàn)器材做了創(chuàng)新性改進(jìn)，利用唾手可得的智能手機(jī)代替DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得該實(shí)驗(yàn)在更多學(xué)校的實(shí)際教學(xué)中易于開展。利用本實(shí)驗(yàn)方案，既可以進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)器材易得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受限制，而且實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。

注：本文系2020年甘肅省臨夏州教育科學(xué)規(guī)劃“農(nóng)村中學(xué)物理低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與利用”（課題立項(xiàng)號(hào)LX[2020]ZD014）的階段性研究成果。

（焦? 佳? 左毓紅）