利用手機加速度傳感器探究加速度與力、質量的關系

丁彥龍,馬廣平,付 靜,曹 怡,姜俊江

(1.鹽道街中學，四川 成都 610000；2.四川大學 錦江學院，四川 眉山 620800)

“普通高中物理課程標準(2017年版)”增加了“用手機傳感器測加速度”的活動. 目的是讓學生從手機加速度傳感器測出的曲線直觀地認識物體的運動，培養學生的動手操作能力和學生的團隊合作精神. 本文介紹了手機加速度傳感器的使用方法和小組實驗探究過程，為教師的實際教學過程提供參考.

1 智能手機傳感器

智能手機有多種傳感器，可以檢測光、聲、磁場、力等各類非電信號，對周圍環境的力、熱、聲、電磁等物理量進行從簡單到復雜的測量，并轉化成電信號，供實驗者分析[1]. 軟件工作界面如圖1

所示，實驗借助加速度傳感器軟件(Accelerometer)探測3個方向(x,y,z)的加速度隨時間的變化，實驗設置f=20 Hz，加速度的方向沿z方向，如圖2所示.

圖2 手機傳感器x,y,z定位方式

2 利用手機加速度傳感器開展實驗探究

實驗裝置見圖3，在氣墊導軌的滑塊上安裝智能手機，細線一端在滑塊上，另一端掛上鉤碼.

圖3 探究加速度與力、質量關系的實驗裝置圖

用天平測得滑塊的質量為206.4 g，手機質量為144.6 g. 首先保持滑塊和手機總質量不變，改變鉤碼的質量，使得合外力依次為0.25，0.50，0.75，1.00 N，探究加速度與力的關系. 打開氣泵，打開加速度傳感器(Accelerometer)，將Refresh rate調節到20 Hz,再點擊Settings，將Remove Gravity開啟點擊，Start measuring記錄開關，將手機由靜止釋放. 得到加速度隨時間變化的圖像如圖4所示，導出數據如表1所示，并根據數據在Excel中畫圖如圖5所示.

圖4 加速度隨時間變化圖像圖

F/Na/(m·s-2)123 a/(m·s-2)0.250.6430.6420.6620.6490.501.2761.3551.4161.3490.751.7201.8291.7841.7781.002.5462.6072.5672.57

圖5 質量一定的情況下加速度與力的關系

滑塊與小車沿y方向運動，所以圖4中紅顏色代表加速度的變化情況，通過圖像可以看出加速度在0.55～0.60 s之間保持不變，說明滑塊在做勻加速直線運動，通過圖5繪出的a-F圖像可以得出當質量一定時加速度與力成正比.

保持鉤碼質量m=0.25 kg不變，即保持F=0.25 N不變，在滑塊上加重物改變滑塊和手機的總質量，重復之前的操作，得到加速度隨時間變化的圖像如圖6所示，導出數據如表2所示，并根據數據在Excel中畫圖如圖7所示.

滑塊與小車沿y方向運動，所以圖6中紅顏色代表加速度的變化情況，通過圖像可以看出加速度在0.57～0.60 s之間保持不變，說明滑塊在做勻加速直線運動，通過圖7繪出的a-1/M圖像可以得出當力一定時加速度與質量成反比.

圖6 加速度隨時間變化圖像圖

M/kg1M/kg-1a/(m·s-2)123a/(m·s-2)0.3512.8491.2761.3551.1941.2750.3712.6951.1971.1921.1171.1690.3912.5581.0381.0320.9961.0220.4412.2680.9010.9040.8800.895

圖7 質量一定的情況下加速度與力的關系

3 結束語

智能手機的快速發展助推了教育技術的革新，正改變著廣大教師教育教學的手段與思路. 用手機傳感器探究加速度與力、質量的關系的實驗，實驗誤差較小，圖像清晰，可操作性強. 實驗過程包括數據的采集與處理、圖像的認識等，鍛煉了學生分析問題、提取數據的能力. 除了智能手機傳感器外，實驗還有很多應用APP如根據拍攝物體運動視頻，分析物體位置、速度、加速度的軟件Video Physics、智能手機物理虛擬實驗室、手機制作微課的APP“微課寶”、Course maker等. 隨著5G技術的實現，智能手機在教學中的應用將會更加廣泛.