基于物理核心素養(yǎng)立意的課外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張超　劉晉君　鄧泳欣

摘 要：利用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量物體加速度的方法，很少能將其運(yùn)用在生活中.隨著科技的發(fā)展，智能手機(jī)早已在我們生活中普及，隨著手機(jī)硬件和軟件的功能升級(jí)，我們也可以利用手機(jī)這樣的便攜智能工具估測(cè)生活中機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)的加速度.本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐提供兩個(gè)實(shí)用方案.

關(guān)鍵詞：智能手機(jī);量角器APP;傳感器APP;測(cè)量加速度

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）01-0045-03

作者簡(jiǎn)介：張超（1986-），男，山東東平人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確了物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.物理是一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，學(xué)生的物理知識(shí)來(lái)源于課堂，更應(yīng)當(dāng)使之應(yīng)用于生活，這是物理知識(shí)內(nèi)化為物理素養(yǎng)的一種重要表現(xiàn)，也是高中物理教學(xué)的重要課題.本文結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，以“利用智能手機(jī)估測(cè)機(jī)動(dòng)車的加速度”兩個(gè)實(shí)用方案為例進(jìn)行探討.

1 利用手機(jī)攝像功能和量角器APP估測(cè)機(jī)動(dòng)車的加速度

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)機(jī)動(dòng)車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸掛在車廂內(nèi)的物體，由于慣性，會(huì)向機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)的反方向擺動(dòng)，使繩子與豎直方向產(chǎn)生傾角（如圖1）.如圖2對(duì)其進(jìn)行受力分析，沿水平方向和豎直方向分解繩子拉力，結(jié)合牛頓第二定律，可得關(guān)系式：tanθ=F1mg，F(xiàn)1=ma，即a=gtanθ，即只需測(cè)量出偏移角θ，就能夠計(jì)算出機(jī)動(dòng)車的加速度a.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在靜止的機(jī)動(dòng)車扶桿上用繩子懸掛一個(gè)重物，調(diào)整繩子結(jié)點(diǎn)的位置，使重物與繩子緊貼扶桿，與豎直方向夾角為零.

（2）利用三腳架固定手機(jī)，打開手機(jī)“拍照”功能，利用手機(jī)攝像功能中自帶的標(biāo)尺網(wǎng)格，調(diào)整手機(jī)位置，盡量使豎直標(biāo)尺與繩子重合.

（3）機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)后，按下手機(jī)連拍按鈕，記錄重物從靜止到產(chǎn)生最大傾角的全過(guò)程.

（4）選擇一張傾角適當(dāng)、成像清晰的照片，利用手機(jī)“AR測(cè)量”APP中的角度測(cè)量功能（如圖3），測(cè)量繩子與豎直方向之間的傾角θ.

（5）將測(cè)量數(shù)據(jù)代入關(guān)系式a=gtanθ，運(yùn)用手機(jī)計(jì)算器功能，計(jì)算此瞬間機(jī)動(dòng)車的加速度a.

1.3 注意事項(xiàng)

（1）測(cè)量的準(zhǔn)備過(guò)程中，調(diào)整好繩子的結(jié)點(diǎn)位置和松緊情況，保證重物在擺動(dòng)過(guò)程中，繩子結(jié)點(diǎn)位置不會(huì)上下滑動(dòng);

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)手機(jī)拍照功能記錄并測(cè)量重物的偏轉(zhuǎn)角度θ，因此需要盡量使手機(jī)拍攝的平面與重物擺動(dòng)的平面在同一豎直面，以減小因拍攝角度問(wèn)題帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差.

2 利用手機(jī)傳感器APP估測(cè)機(jī)動(dòng)車的加速度

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

隨著電子數(shù)碼技術(shù)的進(jìn)步，智能手機(jī)已經(jīng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的通訊工具，而是具有多種功能的便攜式電子設(shè)備.手機(jī)內(nèi)常見(jiàn)的傳感器有7種：地磁傳感器、陀螺儀、光傳感器、距離傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、磁場(chǎng)傳感器，涵蓋了力、熱、光、磁等多個(gè)方面（如圖4所示），可以對(duì)力、熱、光、磁等相關(guān)物理量進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量，供實(shí)驗(yàn)者分析.常用的手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)APP有“Sensors”APP和“科學(xué)日志”APP等.

本實(shí)驗(yàn)選用“科學(xué)日志”APP其中較為簡(jiǎn)單的加速度傳感器為例，估測(cè)機(jī)動(dòng)車的加速度（如圖5）.

進(jìn)入圖5界面圖示，加速度傳感器可以測(cè)量三個(gè)方向（X，Y，Z）的瞬時(shí)加速度，并以正、負(fù)數(shù)表示其方向.同時(shí)記錄多方向加速度隨時(shí)間的變化，并直接繪制成圖像.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）打開“科學(xué)日志”APP，新建實(shí)驗(yàn)，在初始界面上點(diǎn)擊Y軸加速計(jì)按鈕，進(jìn)入瞬時(shí)加速度測(cè)量界面.

（2）將智能手機(jī)靜止放置于機(jī)動(dòng)車上，調(diào)節(jié)手機(jī)位置，確保手機(jī)的Y方向沿平行車輛前進(jìn)方向放置（此時(shí)Y軸瞬時(shí)加速計(jì)示數(shù)應(yīng)顯示為0），對(duì)手機(jī)進(jìn)行固定.

（3）確定傳感器數(shù)據(jù)記錄器已正常工作后，開啟“屏幕錄制”功能，啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車.

（4）一段時(shí)間后點(diǎn)擊停止按鈕，得到機(jī)動(dòng)車加速度隨時(shí)間變化圖像.

（5）點(diǎn)擊右上角功能鍵，選擇導(dǎo)出到文件，得到實(shí)驗(yàn)具體的數(shù)據(jù)表格.

2.3 數(shù)據(jù)處理

（1）實(shí)驗(yàn)中可得如圖6所示的機(jī)動(dòng)車加速度隨時(shí)間變化圖像.

（2）從圖中可以得到沿機(jī)動(dòng)車前進(jìn)方向的加速度，系統(tǒng)默認(rèn)向前（指向手機(jī)頭部）的加速度為負(fù)值，點(diǎn)擊曲線可以選擇讀取具體某一時(shí)刻的加速度大小.

（3）根據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表格，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的操作.

2.4 注意事項(xiàng)

（1）測(cè)量前，可通過(guò)對(duì)比Z方向的加速度接近重力加速度g，來(lái)判斷智能手機(jī)是否與水平方向共面，以確保Y方向與汽車運(yùn)動(dòng)方向一致，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性.

（2）為進(jìn)一步提升測(cè)量的精準(zhǔn)度，在確定好手機(jī)的放置方位后，可以使用車載支架對(duì)手機(jī)進(jìn)行固定.

（3）通過(guò)傳感器生成的圖像，既能觀察汽車啟動(dòng)全過(guò)程的加速度變化，還能針對(duì)特定時(shí)刻讀出瞬時(shí)加速度大小，讓學(xué)生更深刻地體會(huì)物理知識(shí)與生活實(shí)際之間密不可分的聯(lián)系，有利于幫助學(xué)生建立正確的科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀.

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今手機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾ぞ?利用手機(jī)自帶的攝像、傳感器等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生活中的客觀規(guī)律進(jìn)行探索，既體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的要求，更有利于提升教師及學(xué)生接受新事物的意識(shí)、提高信息化實(shí)驗(yàn)操作的能力，與時(shí)俱進(jìn)，一舉多得.同時(shí)，手機(jī)傳感器相比于傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、光電門等實(shí)驗(yàn)器材具有精確、敏感、圖像化、數(shù)據(jù)化等突出的優(yōu)勢(shì)，更加有利于讓物理實(shí)驗(yàn)走進(jìn)實(shí)際生活.相信隨著手機(jī)智能終端技術(shù)的不斷進(jìn)步，還會(huì)有更多的智能工具為物理教學(xué)服務(wù).

參考文獻(xiàn)：

[1]李立，張皓晶，張雄.基于智能手機(jī)磁性傳感器測(cè)量重力加速[J].物理實(shí)驗(yàn)，2019，39（09）：58-60+63.

[2]胡琦珩，丁益民，馮一帆.利用智能手機(jī)驗(yàn)證牛頓第二定律[J].物理教師，2017，38（10）：50-52.

（收稿日期：2020-09-10）