智能手機傳感器在中學物理實驗中的應用綜述*

饒 迪 程敏熙 李錫均

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

傳感器是能夠感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱.利用傳感器進行實驗不僅采集數據方便、快捷，且實驗結果精確，我國甚至把傳感器列為“十五”計劃重點科技研究發展項目之一[1].

無論是德國的萊寶系統、美國的PASCO系統，還是國內的DISLab都是由傳感器、數據采集器和計算機組成.一套較好的DIS實驗操作系統都要上萬元，較高的價格成為制約其被廣泛應用的主要因素.當前，我國只有部分大專院校或中學配備有DIS實驗器材[2].

值得注意的是，隨著現代生活水平的不斷提高，智能手機逐漸成為人們日常生活中的必須品，而現代智能手機內置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應傳感器等十多種傳感器.同時，各種手機傳感器App也不斷被開發，無論是基于蘋果手機的Phyphox,BaroAlt,Altimeter等，還是基于安卓手機的physics toolbox，ToneGenerator等，都給物理實驗帶來了許多新的設計思路.各種實驗操作不僅簡單易行，而且實驗結果精確，提高了實驗的趣味性.

1 智能手機傳感器實驗的發展歷程

1.1 萌芽期(2005-2012年)

文獻[3]2005年報道最早通過智能手機來驗證一些物理現象：聲音是由物體振動產生的；聲音的傳播需要介質；電磁波能在真空中傳播；靜電屏蔽[3].時隔4年，文獻[4]2009年報道，在前者的基礎上更進一步地多做了幾種演示實驗：無線電波傳播速度大于聲波傳播速度、共振現象、電流的熱效應、慣性現象[4].文獻[5]報道了利用手機屏幕探測遙控器發出的紅外線[5].

此后，文獻[6]的作者將“移動學習”引入課堂，他開創性地利用光傳感器演示光線明亮程度與屏幕是否黑屏的關系[6].文獻[7]的作者則更多方面地利用手機傳感器來輔助教學，包括：利用方向傳感器判斷實驗臺是否水平；利用磁感應傳感器探究磁場的方向和強度；通過加速度傳感器探究超重與失重現象；通過聲傳感器研究聲音的頻率；利用GPS傳感器測量物體的運動速度以及估算地球半徑[7].

國際方面，文獻[8]報道了利用智能手機攝像頭拍到的實驗圖像來輔助教學[8].文獻[9]報道了通過手機屏幕發出的光進行偏振光實驗[9].而文獻[10]報道,將手機放入真空玻璃罩中，驗證真空不能傳聲[10].

文獻[11]和[12]在前面幾位學者的基礎上，利用智能手機設計了新實驗：讓自由落體狀態的手機發出固定頻率聲波，同時在下方測定聲波的頻率變化曲線，再結合相關理論測出重力加速度g[11].

2012年，文獻[11]和[12]的作者在美國物理教師協會(AAPT)旗下的《The Physics Teacher》雜志上創設了“IPhysicsLab”專欄并擔任編輯.此專欄面向廣大教師征集將智能設備運用到物理實驗教學中的想法，并每月推出一篇相關文章[12].我國的期刊并未開設相應專欄.

在這一階段，智能手機作為一種新的實驗工具走入了國內外物理課堂，相關研究較少，且大多是定性的小型演示實驗.

1.2 發展期(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn利用智能手機加速度傳感器分別對自由落體、單擺和彈簧擺進行研究，并發表了3篇開創性文章[13～15].這3篇文章里的實驗思路先后被國內外諸多研究所借鑒，同時也拉開了智能手機物理實驗從定性研究向定量研究發展的序幕.

自2013年起，除《The Physics Teacher》之外，在英國皇家物理學會文獻庫(IOP)收錄的《Physics Education》以及《European Journal of Physics》等雜志上也開始陸續發表智能手機傳感器實驗的文章.

近年來，為提高青稞單位面積產量，把科學施肥、測土配方、機耕機播、病蟲草害防治、種子精選、種子包衣和土壤處理作為重點措施進行推廣。2016年，林芝市農牧技術推廣中心開展下鄉科技服務80余人次，開展科技培訓1萬多人次。以上科學技術的推廣應用，對于穩定糧食生產、保障有效供給、全面建成小康社會和保持農牧民持續穩定增收具有重要作用，為確保林芝市青稞安全、有效供給做出了應有貢獻。

截止到2018年4月，本文搜索到的智能手機傳感器實驗相關研究文章100余篇，世界各國的教育工作者紛紛參與到這項研究之中，不難想象，智能手機傳感器實驗在將來會有更加長足的發展.

2 智能手機傳感器實驗的分類介紹

智能手機傳感器在中學物理實驗中的研究成果已涵蓋了力學、電磁學、聲學以及拓展實驗等多個領域.本文根據所查閱的相關文獻，對上述4個分類進行整理.

2.1 力學實驗

重力加速度g是一個非常重要的物理量.Vogt(2012)讓智能手機從高度h開始做自由落體運動,如圖1所示[13]，同時用手機加速度傳感器記錄手機下落的時間t，再根據運動公式

(1)

求出重力加速度g.

圖1 手機做自由落體運動

如圖2所示,對于單擺運動[14]，Vogt(2012)利用手機加速度傳感器記錄加速度和時間的關系圖，再通過峰值間的間隔得出單擺周期T，最后依據單擺周期公式

(2)

在已知擺長l的情況下求得重力加速度g.

圖2 手機做單擺運動

此外，還可以將手機靜止放置，通過放置信號源測出重力加速度值.文獻[16]報道，用小磁鐵代替手機運動，利用手機磁感應傳感器進行實驗[16].文獻[17]指出，用小鐵球當擺球，將手機放置在鐵球的正下方，使擺球能貼著手機擺過，利用磁感應傳感器App測得周期，算出重力加速度g[17].

對于向心加速度，文獻[18]報道，將手機固定在木板上，讓馬達帶動木板轉動，如圖3所示，再將運動半徑r和周期T代入公式

(3)

求出向心加速度的值，與手機顯示的值相比較，結果較準確[18].

圖3 馬達帶動手機運動

文獻[19]報道，在轉動圓盤上某一固定位置放置手機，通過改變轉速來驗證向心加速度與角速度之間的關系[19].文獻[20]指出，在同一個轉動圓盤的不同位置上放置多個手機,如圖4所示，此時所有手機的角速度相同，可以驗證向心加速度與運動半徑的關系[20].

圖4 同一圓盤上不同手機的轉動

文獻[21]報道，發現一款App“AccelVisu”可以即時顯示加速度的方向和大小.將智能手機掛在鐘擺上運動，可以顯示加速度的方向指向圓心，如圖5所示；將智能手機放在水平導軌上運動，如圖6所示，可以幫助學生更直觀地觀測到速度方向與加速度方向之間的關系[21].

圖5 手機做圓周運動實驗

圖6 手機在水平導軌上運動

牛頓第二定律是國內外中學物理的重要知識點，文獻[22]報道，將智能手機帶進娛樂場的“跳樓機”上,如圖7所示，將App測得的數據代入牛頓第二定律，計算出跳樓機對身體的作用力[22].

圖7 “跳樓機”

文獻[23]報道，把智能手機綁在滑塊上，使滑塊從斜面上滑下，如圖8所示.利用手機的加速度傳感器App記錄下滑時的加速度a，再根據關系式

a=gcosθ(tanθ-μk)

(4)

在已知當地重力加速度g及斜面傾角θ的情況下求出滑動摩擦系數μk[23].

圖8 測量斜面摩擦系數實驗

文獻[24]指出，利用加速度傳感器App上顯示的圖像給學生演示動量定理[24].文獻[25]報道，將兩個手機分別固定在兩個小車上，每輛小車前段固定一個環形彈片,如圖9所示，用小車碰撞前后的速度值驗證動量守恒[25].

圖9 動量守恒實驗

2.2 電磁學實驗

磁現象是物理學重要的研究對象，但數字化實驗室價位較高，難以在中學物理課堂廣泛應用，手機磁感應傳感器則給一些定性的小實驗帶來許多便捷.除了探究通電環型線圈周圍的磁場[7]，文獻[26]和[27]的作者先后探究了條形磁鐵、通電直導線、指南針周圍的磁場方向及大小，讓智能手機更豐富地助力課堂教學[26，27].

為了測磁感應傳感器的位置，文獻[28]的作者將小磁鐵緊貼手機屏幕(以iPhone5為例)移動，找到磁感應強度最大的位置，那么這個位置就是磁感應傳感器所在方位,如圖10所示.他將一塊小磁鐵放在畫直角坐標系的白紙上，如圖11所示，利用手機磁感應傳感器測定了距離x與磁感應強度B成反比的關系，并繪制出B-x空間分布曲線[28].

圖10 磁感應傳感器的位置

圖11 測空間磁感應強度

2.3 聲學實驗

在“聲音特性”的一些演示實驗中，需要用到示波器來觀察波形圖，但并非所有中學都配備示波器，針對這一問題，文獻[29]和[30]的作者利用智能手機聲傳感器演示教材中的實驗，還對生活中的一些聲現象(酒瓶、音叉、樂器的發聲)進行分析[29,30].

利用智能手機聲傳感器來做聲學實驗還可以克服主觀性太強的問題.例如多普勒效應，文獻[31]中提出可以利用聲傳感器來探究多普勒現象[31]，而文獻[32]的作者則將其運用到教學中，他根據觀察者或者波源的相對運動進行了更細致的定量測量，且實驗效果明顯[32].

2.4 拓展實驗

硬件方面，文獻[33]的作者較早提出利用安卓手機傳感器和外擴傳感器，共同構建物理工具箱，擴大實驗類型，使學生操作更具有真實感[33].文獻[34]報道將手機與力傳感器相連，再利用傳感器App“SPARKvue”研究小球做圓周運動時對繩子的張力[34].文獻[35]報道將智能手機外接溫度傳感器測定溫度,如圖12所示，填補了手機傳感器在中學熱學實驗中的應用這一空白[35].

針對課后實驗，一些學者也提出了自己的看法.人教版物理教材八年級上冊有關于“怎樣才能更加準確地測量硬幣的直徑”的交流活動，文獻[36]的作者利用手機App“ON直徑測量”進行實驗，結果也較精確[36].又如，物理教材八年級上冊介紹了水瓶琴實驗，文獻[37]中用手機軟件進行證實，發現教材中給出的參考方案不夠科學，無法實現[37].

圖12 手機外接溫度傳感器

3 智能手機傳感器實驗的優點及意義

智能手機除了給中學物理實驗帶來許多新的思路，也在大學物理實驗中被廣泛應用[38]，可見，智能手機作為一種新的實驗設備，具有很多獨特的優點.

3.1 售價適中 普及率高

隨著科學技術的不斷發展，售價千元左右的智能手機就內置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應傳感器、陀螺儀、溫度傳感器等10余種傳感器，相比一套價格在萬元左右的DIS數字傳感系統，相對低廉的價格使得智能手機更容易被普及.

3.2 測量數據方便、準確

使用DIS系統會很容易受到數據線長度的限制，相反，智能手機既可以利用App實現數據測量、采集一體化，也可以不受任何限制地被安置在任何地方進行實驗，還可以根據實際需要直接在手機上做進一步數據處理[38]．

4 智能手機在中學物理實驗中的應用展望

近年來，翻轉課堂、微課、STEM 等現代教育模式逐漸興起，給智能手機在教學中的應用提供了不小的空間，它既可以被用于中學的課堂實驗教學，也可以進行研究性學習、課外實踐等活動，比如利用智能手機進行課堂管理、即時進行教學演示等.

本文僅僅討論了到目前為止智能手機在中學物理實驗中的應用，而智能手機有10余種傳感器，每一種傳感器都可以開發出許多對應的物理實驗.可見，利用智能手機做物理實驗的應用前景是非常廣闊的.