用智能手機軟件Phyphox探究電梯豎直運動規律

李玉峰 王靜

摘要：電梯是日常生活中的乘用工具.本研究利用智能手機應用軟件Phyphox對電梯直線運動的運動規律描述進行創新性實驗設計，加深學生對位移、瞬時速度概念的理解，提高數據分析能力，增強學生學習物理的興趣，有效進物理學科核心素養的提高.

關鍵詞：智能手機，Phyphox，電梯豎直運動，位移，瞬時速度

作者簡介：李玉峰（1977-），山東聊城人，教育學博士，副教授，研究方向：科學教育研究；

王靜（1996-），女，山東聊城人，研究生，研究方向：物理學科教學.

1引言

隨著新一輪高中課程改革的推進，培養學生的物理學科核心素養，成為高中物理課程的培養目標.物理學科由必考科目變成了選考科目，如何增強物理學科的吸引力，增加物理學科的選修率，成為物理教師必須思考的問題.

本文遵循《普通高中物理課程標準》（2017版）[1]中“注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求”“引導學生自主學習，倡導教學方式的多樣化”的課程理念，選擇高層住宅出現后的乘用工具電梯的運動作為研究對象，采用集各種傳感器于一體的常用通訊工具智能手機作為移動的物理實驗室，設計實驗工作單，讓學生利用軟件Phyphox自主探究電梯的運動規律[2].

2電梯運動規律前概念調查

作為常見的常用工具電梯，學生非常熟悉，知道電梯的運動經歷從靜止到運動再到靜止的運動過程；通過物理課程的學習，了解到位移、瞬時速度是精確描述物體運動規律的重要物理量.而對于電梯運動的精確描述則是非常的困難.

3研究工具介紹

31物質基礎-智能手機

智能手機集合了眾多的傳感器于一體，比如加速度傳感器、近距離傳感器、磁傳感器、大氣壓強傳感器、照度傳感器等；再加上可以根據用戶需要安裝的應用軟件APP，就構成了一個移動的物理實驗室，為眾多物理實驗的創新設計打下了基礎.

32應用軟件- Phyphox

Phyphox是由德國亞琛工業大學第二物理研究所（RWTH Aachen University）開發的一款免費手機APP.主要特征如下：

321利用內置傳感器進行實驗

Phyphox允許實驗者運用智能手機的內置智能傳感器進行相關的實驗，比如：應用加速度傳感器測量擺的頻率，利用揚聲器進行多普勒效應測量等.

322實現局域網內遠程控制智能手機

Phyphox可以在同一個網絡內實現借由其他設備的網絡瀏覽器實現對智能手機設備的控制.

323采用常見格式輸出實驗數據

利用該軟件可以實現實驗數據采用常見的格式輸出，實驗者可以采用自己的軟件進行分析；或者采用手機上的APP進行數據分享和存儲.

324創設自己的實驗文件夾

采用Phyphox可以在wiki中創設自己的實驗文件夾給予大家分享.

4實驗原理

要研究電梯的運動需要準確地描述其位移、瞬時速度隨時間變化的規律.

41位移變化的間接測量

在本研究中主要利用在重力場中大氣壓強隨時間變化的規律實現位移的間接測量.

在重力場中等溫狀態下，大氣壓強隨高度變化的規律為

P=poexp（-μgRTh）（1）

其中，p 為高度h處的氣壓，R 為氣體普適常數，T為大氣溫度，μ為空氣的摩爾質量，g為重力加速度.

當兩點間海拔高度變化不大時，可得到

Δp=-ρgΔh（2）

其中，ρ為空氣密度，即高度差不大時，可認為空氣是均勻的.

Δh=（-1ρgΔP）（3）

42瞬時速度的測量

在高中階段的速度定義如下：如果在時間Δt內物體的位移為Δx，它的速度就可以表示為

v=ΔxΔt（4）

Δt非常小接近0時，我們把ΔxΔt稱為物體在t時刻的瞬時速度.在實際的瞬時速度測量中，Δt越小，ΔxΔt越接近于瞬時速度.

在很短的時間內把電梯的運動看成勻變速直線運動，利用“在勻變速運動中中間時刻的瞬時速度等于這一段時間內的平均速度”這一結論進行近似計算.

v=vt2

基于這一原理，數據處理得

Δh=h2-h1

Δt=t2-t1

vt2+t12=ΔhΔt=h2-h1t2-t1（5）

可以完成瞬時速度的計算.

5創新實驗設計

51閱讀材料，熟悉Phyphox使用方法

給學生有關大氣壓強與高度關系的材料，讓學生通過自主學習，了解利用大氣壓力傳感器測量高度的原理、瞬時速度的測量原理.

52安裝Phyphox，熟悉軟件功能、使用方法

在手機的應用市場里下載手機傳感器套裝軟件Phyphox，安裝后熟悉功能及使用界面.

如圖1-圖4所示，以華為mate9 為例，Phyphox列出了手機中的傳感器，比如：加速度（不包含g）、加速度g、陀螺儀、光照度傳感器、位置傳感器（GPS）、磁場強度傳感器、壓強傳感器等.此外，手機還可以把實驗者的數據進行存儲，如圖1所示，5月23日進行測電梯運動實驗.支持系列聲學實驗，比如包括：測量聲音的幅度、測量聲音的頻率、聲音的范圍、聲音頻譜、多普勒效應、頻率歷史、回聲測距、聲音信號發生器；支持的日常實驗等，如測量電梯的速度；支持的力學實驗，如彈性碰撞、圓周運動、擺、轉動、彈簧振子等；支持利用手機的內在傳感器設計實驗.此外，該軟件還具有計時器，加速度頻譜、角度測量、磁力頻譜、磁力測距等功能.

53利用Phyphox采集電梯豎直運動的數據