用智能手機探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象

江敏麗 吳先球

(華南師范大學物理電信工程學院 廣東 廣州 510006)

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用智能手機探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象

江敏麗 吳先球

(華南師范大學物理電信工程學院 廣東 廣州 510006)

利用智能手機自帶的加速度傳感器，借助相應手機軟件得到電梯升降過程中加速度隨時間變化圖像，解決了體重計或彈簧測力計讀數(shù)轉(zhuǎn)瞬即逝、不方便記錄分析的問題.同時，還可以利用牛頓第二定律對超重、失重現(xiàn)象蘊含的物理規(guī)律進行探究.通過實踐，讓學生理解產(chǎn)生超重與失重現(xiàn)象的條件和實質(zhì).

智能手機 超重與失重 加速度傳感器

1 引言

超重與失重，既是牛頓運動定律的應用，又是日常生活中常見的物理現(xiàn)象.2012年高中物理課程標準的共同必修模塊物理1對超重與失重的內(nèi)容標準要求為，通過實驗認識超重和失重現(xiàn)象，并提出活動建議，通過各種活動，例如乘坐電梯，到游樂場乘坐過山車等，了解和體驗失重和超重.對于超重與失重現(xiàn)象，學生常常認為物體的重量隨運動情況變化而變化，物體是超重還是失重由速度方向決定，物體超重失重的程度由速度大小決定[1]，由學生的前概念出發(fā)提出超重與失重的教學難點是：理解超重與失重現(xiàn)象的力學本質(zhì).

常規(guī)教學中為突破這一教學難點，教師們一般會采用乘電梯上升和下降過程中，讓學生觀察體重計的示數(shù)變化，或者在電梯中掛彈簧測力計，觀察彈簧測力計示數(shù)變化.在課堂中讓學生指出示數(shù)如何變化，為何變化，逐步引導出超重、失重現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，解釋力學本質(zhì).因此，利用日常生活中的電梯、體重計或彈簧測力計以及適當?shù)闹匚锱浜希涂稍陔娞萆等^程中進行超重與失重現(xiàn)象的定量或定性觀測.

但是，在電梯加速或減速過程中，物體超重或失重時體重計和彈簧測力計顯示的結(jié)果多是轉(zhuǎn)瞬即逝，因此，分析超重、失重現(xiàn)象很困難，效果不佳，體驗過程中不方便學生記錄，需要另外拿錄制設備錄下來到課堂上觀察[2].

為了突破這一教學難點，本文提出借助智能手機自身攜帶的加速度傳感器，探索電梯中的超重與失重現(xiàn)象，在乘坐電梯上升或下降的時候，將變化的加速度實時動態(tài)地顯示出來，通過圖像形象生動地顯示，讓學生充分理解及解釋超重與失重現(xiàn)象.

2 智能手機傳感器

智能手機具備多種傳感器，可以檢測加速度、磁場、光、聲等各類非電信號，對周圍環(huán)境的力、熱、聲、光、電、磁等物理量進行從簡單到復雜的測量，并轉(zhuǎn)化成電信號，供人們分析使用.實驗借助加速度傳感器軟件 (Physics Toolbox Accelerometer)，探測手機沿3個方向(x軸，y軸及z軸)加速度的實時變化，并以圖像形式顯示出來[3].(說明：安卓手機通過“應用匯”或“谷歌市場”等軟件市場可免費下載各種手機傳感器驅(qū)動軟件.)

3 智能手機加速度傳感器演示電梯超重失重現(xiàn)象

3.1 實施過程

安裝加速度傳感器軟件后，將智能手機充當測量工具.進入電梯隨著其一起上下運動，觀察電梯在1樓和4樓間上升和下降過程中加速度的變化情況.

(1)將智能手機在電梯正中間水平放置，啟動加速度傳感器軟件，由于只探究電梯豎直方向上的加速度變化，因此需要點擊右上角設置，只顯示豎直方向(z軸)的加速度變化，如圖1所示.

圖1 設置只顯示z軸圖像

(2)按運行按鈕(圖2中的“三角形”按鈕)，并記錄數(shù)據(jù)(圖2中的“Record”按鈕)，顯示豎直方向上加速度的即時變化.(若需方便探究之后交流，可以使用錄屏軟件同時記錄手機圖像變化過程，錄制存為視頻文件，及時回看).

圖2 加速度傳感器顯示界面

(3)電梯從1樓上升到4樓過程，摁下“4”電梯按鈕，觀察手機圖像變化情況，做好實時記錄，電梯停止后，按停止按鈕(圖3中的“”按鈕)，并停止記錄數(shù)據(jù)(圖3中的“Stop”按鈕)，命名文件(如圖4所示，命名后點擊“OK”)，保存文件數(shù)據(jù)，可以傳送到電腦，也可以直接保存到手機中.上升過程顯示圖像如圖3所示.

圖3 電梯從1樓上升到4樓階段顯示圖像

圖4 保存數(shù)據(jù)圖像

(4)電梯從4樓下降到1樓過程，摁下“1”電梯按鈕，觀察手機圖像變化情況，做好實時記錄，電梯停止后，按照步驟(3)，保存數(shù)據(jù).下降過程顯示圖像如圖5所示.

圖5 電梯從4樓下降到1樓階段顯示圖像

3.2 結(jié)果分析

通過截圖記錄，保存結(jié)果，通過表格記錄電梯升降過程中各物理量的變化情況，并通過對智能手機的受力分析，做豎直方向所受的重力及支持力的大小比較，引出超重與失重概念，并對其產(chǎn)生的原因作解釋.由圖像分析可得，忽略電梯自身晃動(圖3和圖4中抖動的圖像變化)等引起的誤差外，在電梯上升或下降過程圖像均出現(xiàn)兩次突增或突減過程，將結(jié)果顯示記錄于表1中.

表1 電梯中的超重與失重現(xiàn)象記錄表

3.3 活動建議

智能手機已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡奈锲罚S著手機的不斷普及，很多學生都了解手機的構(gòu)造、功能和使用方法.如果能利用手機來做物理實驗,將會引起學生極大的興趣.教師可以在講授新課前統(tǒng)一要求學生在課前完成，利用課余時間開展實驗，填寫表格，保存圖像，然后在課堂上展示結(jié)果，如錄制好視頻展示(可自行安裝錄屏軟件)，也可讓學生說說做這個探究實驗的體會，對比分析不同學生的結(jié)果，讓學生經(jīng)歷探究超重、失重現(xiàn)象產(chǎn)生原因的過程.同樣可以拓展：在不同樓層開展或者在不同廠家生產(chǎn)的電梯中做實驗，對探究結(jié)果是否有影響？

4 結(jié)束語

基于智能手機探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象具有以下特色：

(1)將電梯升降過程加速度瞬時的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為圖像顯示，直觀易懂，突破教學難點；

(2)學生在探究過程中隨同電梯一起運動，在觀測現(xiàn)象的同時，還有生理感覺，所以體驗性非常強；

(3)電梯升降運動產(chǎn)生變化的加速度，利用牛頓第二定律，分析不同加速度對應的物體所受壓力或拉力的變化，可以在實驗中利用牛頓第二定律分析超重、失重情境中的物理規(guī)律.

1 李希凡.基于前概念轉(zhuǎn)變的“超重與失重”教學探討.物理教師,2014(07):21～22

2 趙潔.中學物理概念教學難點確定與突破理論與實踐研究：[學位論文].長春：東北師范大學,2012

3 Vieyra Software.Physics Toolbox Accelerometer.(2014-5-9)[2014-8-10]https://play.google.com /store /apps/ details? id = com.chrystianvieyra.android.physicstoolbox accelerometer&hl = en.Html

4 張春斌,王妍琳,周少娜,等.利用手機加速度傳感器探究豎直方向彈簧振子運動. 大學物理,2015(07):15～19

5 朱敏亮,肖化.基于滑輪組的超重失重演示儀. 中學物理教學參考,2015(15):29～30

6 Patrik Vogt, Jochen Kuhn.Analyzing free fall with a smartphone acceleration sensor.Physics Teacher,2012，50(3)：182～183

7 Jochen Kuhn, Patrik Vogt.Analyzing spring pendulum phenomena with a smart-phone acceleration sensor.The Physics Teacher，2012，50(8)：504

江敏麗(1993- )，女，在讀碩士研究生，主要從事物理實驗教學研究等研究.

指導教師：吳先球(1968- ),男，博士，教授，主要從事信息技術在物理實驗中的應用研究及物理實驗研究.

2016-07-18)