基于Phyphox軟件探究電梯中的超重和失重現象

盧順興

(廣東省廣州市執信中學 廣東 廣州 510006)

對物理教育實驗而言，現代智能手機中日益豐富和完善的傳感器是一種頗有前景和經濟效益的工具[1]．結合軟件開發，智能手機可以實現多種物理量的測量，為物理實驗教學提供新穎的方法和途徑．本文以Phyphox軟件為例，有機結合電梯中的超重和失重實驗現象，展示優化實驗教學的創新方式．

1 傳統實驗的不足與Phyphox的特點

超重是指當物體的加速度向上時，物體對支撐物的壓力(或對懸掛物的拉力)大于物體所受重力的現象．失重是指當物體加速度向下時，物體對支撐物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受重力的現象．本節的教學難點是通過實驗認識到超重和失重現象的條件，學生常見的認知誤區是超重和失重與運動方向有關．

常規教學中，為突破這一教學難點，教師們主要利用彈簧測力計與鉤碼或者體重計稱體重．從簡單的彈簧測力計配合鉤碼上下運動，到復雜的自制基于滑輪組的超重失重演示儀等[2，3]．這些方式的好處是現象簡單明了，不足之處在于彈簧測力計(或體重計)的顯示結果大多情況下是轉瞬即逝的，另外自制演示儀的制作可能比較復雜，或者操作可能不是特別簡便．還有的教師選擇通過小組活動等形式在真實的電梯情境中進行超重和失重的實驗，這個方式的好處是情景體驗真實，不足之處是難以大規模展開，也難以在課堂上實施．除此之外，這些方式都不能測出加速度，更無法將超重失重現象與加速度數據實時地、直觀地聯系到一起，而這正是學生的認知難點．

因此，較新的研究著眼于通過手機傳感器測出物體在不同運動階段的加速度[4，5]．Phyphox正是一款這樣的軟件．這個軟件由德國亞琛工業大學研制開發，一經面世便受到廣泛關注和好評，不同于其他軟件，除了有單獨的傳感器和實用工具，它還將不同的傳感器進行模塊化組合，方便研究者研究和分析滾動、單擺、超重和失重等多種基本運動[6]．已有的一些研究利用手機傳感器雖然測出了加速度，得到了整個運動過程的加速度變化圖像，但是未能解決現象與數據實時、同時生成和呈現的問題．

在上述多種研究成果的基礎上，本文基于Phyphox軟件，在電梯中進行稱體重的實驗，通過多角度錄像和后期視頻剪輯，將超重、失重現象與實時加速度數據同時呈現，以期能夠提供一種形象生動的、新穎的、能廣泛應用于課堂教學的實驗方式．

2 實驗設計及步驟

2.1 實驗設計

實驗環境及裝置如圖1所示．所用實驗器材包括指針式體重計、安裝Phyphox的智能手機、錄像機．本次實驗主要使用該軟件的一個組合模塊“電梯”，其運行界面如圖2所示．該模塊利用氣壓計傳感器實時測量電梯所處的高度，基于所得的高度結合算法得到速度隨時間變化的圖像，而電梯加速度隨時間變化的圖像則是通過另一個傳感器——加速度傳感器得到的．

圖1 實驗環境和裝置

圖2 Phyphox運行界面

實驗者站在電梯里的體重計上，當電梯上升或下降時，實驗者對體重計壓力的變化情況將通過錄像機拍攝．與此同時手機傳感器生成加速度隨時間變化的圖像，利用手機錄屏功能可以記錄下這一變化過程．

2.2 實驗步驟

(1)實驗者站到體重計上，將手機擺放到體重計上，調整錄像機位置進行俯拍，保證可以清晰地拍攝體重計示數，如圖3所示．

圖3 錄像機拍攝體重計示數畫面

(2)打開手機的Phyphox軟件，進入“電梯”模塊界面．點擊右上角的三角形按鈕，傳感器開始工作．

(3)待手機傳感器示數穩定后，啟動電梯上升．電梯樓層變化范圍以3～6層為宜．

(4)電梯停穩后，暫停手機和錄像機的錄像．

(5)重復步驟(2)～(4)，使電梯下降．

(6)根據需要，可以錄制電梯樓層示數變化情況及實驗環境，如圖1和圖4所示．

圖4 電梯樓層變化情況

3 數據處理和結論

3.1 數據處理

利用會聲會影或其他視頻剪輯工具將上述幾個視頻拼接到同一畫面中，如圖5所示．

圖5 實驗視頻畫面

實驗者的體重約為73 kg，電梯上升過程中，當示數突然增大，可以觀察到此時加速度是向上的，如圖6所示．

圖6 電梯向上啟動

當示數恢復為73 kg時，觀察到加速度為零，如圖7所示．

圖7 電梯勻速向上運動

當示數減小時，觀察到加速度方向向下，如圖8所示．

圖8 電梯向上減速停止

電梯下降過程也同樣記錄數據，最終將實驗現象記錄于表1中．

表1 電梯超重和失重現象記錄表

3.2 實驗結論

從表格數據看來，超重和失重現象與運動方向無關，與加速度方向有關．由此可以總結出超重和失重現象的條件：加速度向上，發生超重現象；加速度向下，發生失重現象．

4 結束語

利用手機傳感器作為主要的測量工具，實時采集數據，再配合視頻剪輯，本次實驗探究過程使電梯中的超重和失重現象走入常規課堂，與學生的生活經驗緊密聯系．另外，此探究過程不僅實驗現象清晰明了，而且實驗過程可控，教師可以根據課堂節奏和學生情況自主控制．

智能手機引入物理實驗教學，不僅可以提供創新的實驗方法和新穎的實驗內容，有助于教師拓寬實驗形式，增加課堂的趣味性，而且可以成為研究性學習的有力工具．目前不少學校都將研究性學習作為學生課外學習的重要途徑，通過研究性學習，學生能夠自主地進行科學探究，獲取知識．在本課結束后，筆者所教班級有一個小組基于Phyphox自主完成了測量身高的研究性學習課題，可見物理實驗教學中引入手機傳感器有助于激發學生的創新思維，促進自主探究．