巧用智能手機做物理實驗

張振

(寧波市鄞州高級中學 浙江 寧波 315194)

手機作為現代生活的隨身用品，其功能已不僅僅是打電話發短信，而是越來越智能化．利用手機，可以照相、上網、娛樂等，給人們的生活帶來了很大的方便．而在筆者看來，如今的手機還是一個可隨身攜帶的物理小實驗室，利用其強大的硬件、豐富的軟件，各種聲、光、距離、重力、加速度、磁場、氣壓、溫度、濕度等傳感器，可以設計制作很多物理實驗，不僅方便，還能大大激發學生探究物理的興趣和熱情．

本文就利用安卓操作系統的智能觸屏手機，結合部分軟件，做一些簡單易行的物理實驗，供大家參考．

1 力學實驗

1.1 各種基本測量

在手機中下載一款“超級瑞士軍刀”的軟件，該軟件基于手機自帶的各種傳感器和硬件等，設計了不少應用，如圖1所示．

圖1 手機自帶的各種傳感器的圖標 圖2 基本測量工具

如利用基本測量工具，可以測量物體的長度、角度；利用水平儀可以判斷實驗平臺是否水平，如圖2所示.

利用鉛垂線結合攝像頭可以判斷是否垂直或與豎直方向的夾角.如圖3所示，為利用該功能研究安培力大小時線框的偏轉角.還可以根據軟件的操作說明，估測目標物體的高度、距離等，如圖4所示為筆者用該功能估測的教學樓高度；這些功能對于輔助物理實驗提供了很大的便利．

圖3 鉛垂線測量 圖4 估測目標物體的參數

1.2 超失重的研究

現在的智能手機基本都帶有加速度傳感器，重力感應器等．在手機中下載一款叫“AndroSensor”的軟件，可以用數字、圖像等形式顯示手機自帶的各種傳感器的測量值．

實驗一：下蹲起立過程的超、失重情況

圖5

打開軟件中加速度傳感器測量值的動態曲線圖，能顯示XYZ三方向的加速度變化情況，我們只研究豎直方向，故將手機面朝上水平手持，先下蹲，過一小段時間起立，可以得到如圖5的曲線，若以初始水平線為零參考面，很明顯可以看到下蹲過程加速度先為負后為正(即方向先向下后向上，先失重后超重)，同理起立過程加速度先正后負(即方向先向上后向下，先超重后失重)，十分直觀．

實驗二：自由落體、豎直上拋和下落

還是利用這個動態曲線圖，水平手持手機，使其自由下落后用手接住．然后將手機面朝上豎直向上拋出，并在下落時將其接住．可得如圖6所示的曲線，通過圖像，不僅可以看到一小段水平線是指穩定下落時的加速度g，還可以看到拋出和接住這一小段時間內手機加速減速的情況，一目了然，這比傳統的實驗更能激發學生的興趣，提高實際問題的分析能力．

圖6

1.3 慣性實驗

在手機下放一張紙，并將手機置于桌子邊緣，迅速水平抽出紙張，手機幾乎未移動，當然也就沒有摔落地面．相比傳統用木塊等，手機基于其貴重和脆弱，更能突出實驗效果的有驚無險．

1.4 機械振動和機械波

實驗三：聲音產生的原因

將手機調成振動放于桌面，用另一手機撥打，可聽到桌面因手機振動而發出聲音，用手摸桌面，可明顯感受到桌面的振動，說明聲音是由振動而產生的．

實驗四：機械波傳播需要介質

將手機調成響鈴和振動，通過細線掛于一個玻璃罩內，用另一個手機撥打，可聽到玻璃罩內手機的鈴聲和振動聲．將玻璃罩內抽成真空，再次撥打，可看到玻璃罩內的手機在響鈴、振動，但玻璃罩外的人卻聽不到聲音．說明聲音等機械波不能在真空中傳播，機械波的傳播需要介質．

1.5 利用GPS測速度

現在智能手機基本都帶有GPS模塊，結合軟件，可以導航，測速，定位等，可謂功能強大．將手機隨交通工具攜帶，打開“AndroSensor”軟件，可以得到該交通工具實時的瞬時速度和所在位置的經緯度等信息，圖7(b)中Speed：3.6 Km/h為筆者行走時大致的瞬時速度．

要說明的是，由于GPS有一定的滯后性，不能用于精確測速，但可以估測較遠距離間運動的平均速度和大致的速度變化情況等．

1.6 利用GPS估算地球半徑

圖7

1.7 多普勒效應

用手機打開一段音調不變的聲音文件(可事先錄音)，將手機移近或遠離耳朵，可感受到音調的高低變化，可知波源和觀察著之間相對運動時，波源頻率不變，而接受到的波的頻率改變．

2 電磁學實驗

2.1 電磁波可在真空中傳播

在上述“機械波傳播需要介質”的實驗中，抽成真空的玻璃罩內的手機依然能接收到信號，而且也可以看到手機屏幕上的畫面，說明電磁波可以在真空中傳播．

2.2 電磁波的屏蔽

實驗五：一個開口的金屬罐內放入手機，用另一手機撥打，能接通．再將金屬罐的蓋子密閉封緊，再次撥打，將無法接通，說明電磁波被金屬罐屏蔽．

實驗六：將手機放于金屬網罩內，用另一手機撥打，可接通．

結論：很多人把實驗五認為是靜電屏蔽，通過實驗六可以很明顯發現，其實不是．電磁波屏蔽的原理不同于靜電屏蔽．簡單來說，第一個實驗接不通是因為電磁波被金屬吸收、反射．而第二個實驗由于金屬間隙較大，電磁波被金屬吸收，反射很少，大量衍射，故能接收到信號．

2.3 電阻屏與電容屏

兩個觸屏手機A和B，手持塑料筆，點擊屏幕，A手機有響應，而B手機毫無反應．當用手指近乎無擠壓地輕微接觸屏幕，A手機無反應，而B手機有響應．這是怎么回事呢？

原來A手機是電阻式觸摸屏，而B手機是電容式觸摸屏．其原理簡單來說，電阻屏通過壓力感應原理來實現對屏幕內容的操作和控制．電容屏在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發出的電流會流向觸點，從而準確算出觸摸點的位置．所以，電容屏反應更為靈敏，手機的觸摸體驗更好．這類現象已出現在部分考題中，要是做過此類實驗，理解自然更為深刻．

2.4 探測磁場強弱

智能手機基本都帶有磁場傳感器，可以設計如下小實驗．

實驗七：打開指南針，可以判斷周圍空間的磁場的方向．如圖8演示的是通電環形線圈沿中心軸線的磁場方向．

圖8 判斷磁場方向

實驗八：由于“AndroSensor”軟件只能顯示XYZ三方向的磁場強弱，不能顯示合磁場的強度變化曲線，所以筆者下載了一款叫“Tricorder”的軟件，該軟件同“AndroSensor”一樣功能強大，可以通過傳感器探測很多信息，并可顯示空間磁感應強度的變化情況．打開軟件選擇磁場，打開Scan，并將手機水平沿通電線圈的中心軸線勻速穿過去[圖9(a)]，從軟件界面可實時得到磁感應強度的變化情況[圖9(b)]．

圖9 顯示空間磁場的變化

3 光學實驗

3.1 “捕捉”紅外線

一般遙控器前段都有一個“小燈”，但平時即使按鍵使用遙控器時，也從來不會看到它發光[圖10(a)]．現將遙控器對準攝像頭，按鍵使用遙控器，在手機屏幕上可以看到那個從來不亮的點竟然發光了[圖10(b)]．這是怎么回事？

圖10 “捕捉”紅外線

原來遙控器發射的一般是紅外線，而紅外線頻率不在可見光范圍內，肉眼當然看不見，而攝像頭的感光范圍大于人眼，可以“捕捉”到紅外線．要說明的是，絕大多數手機的攝像頭都可以拍攝到紅外線，但并不是所有手機都能實現，有些攝像頭裝了特殊的濾鏡就不行．

3.2 偏振現象

打開手機屏幕，將一塊偏振片放于手機屏幕上，旋轉偏振片，透過偏振片可看到手機屏幕的明暗變化，有時幾乎透明[圖11(a)]，有時幾乎完全不透光[圖11(b)]．

圖11 手機屏幕上觀察偏振現象

這是因為在手機液晶屏中有偏振片，手機屏幕發出的是偏振光，再通過一個偏振片，自然可以觀察到光強的變化．在生活中，其實絕大多數液晶顯示屏發出的都是偏振光，如計算器，液晶電腦顯示器，液晶電視等，可以用一塊偏振片加以驗證，現象非常明顯．

利用這個原理，可以很方便地用手機驗證市面上某些太陽鏡的鏡片是否真是偏振片．另外要說明的是，個別高端手機屏幕比較特殊，可能不能明顯觀察到此類現象．

4 結束語

其實手機的各個硬件，無不包含了各種物理原理，而且高端手機搭載的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等更可用來測量海拔高度，研究飽和氣壓和環境溫度的關系等．可以預見，今后手機也必將出現更多新的傳感器，硬、軟件功能也將更為強大，這會給我們生活帶來更大便利．同時這也給物理教學中的實驗提供了更多的素材．本文僅拋磚引玉，以期有更多、更好、更巧妙的實驗，利用隨身攜帶的手機來實現．