基于Phyphox軟件的居家物理實驗改進

龔圣卿 李秀燕 林欽

摘? ?要：以利用智能手機Phyphox APP進行滑動摩擦力實驗的改進為例，介紹在脫離了物理實驗室配套儀器的特殊情況下，如何利用生活中的小物件結合Phyphox軟件開展“居家物理實驗”，為“疫情”等特殊時期如何開展中學物理實驗教學提供參考途徑。

關鍵詞：Phyphox軟件;中學物理;居家實驗;滑動摩擦力

2020年春季，新型冠狀病毒肺炎的肆虐，致使全國大中小學不得不推遲開學時間，為了響應教育部提出的“停課不停教，停課不停學”的要求，形式各樣的在線教學正如火如荼開展著。中學物理是一門注重實驗的自然科學基礎課程，脫離了物理實驗室的配套儀器，開展“居家物理實驗”成了疫情特殊時期解決基礎物理實驗教學困境的有效途徑。

而今智能手機的功能已不再局限于通訊，它通常集成了許多精度和靈敏度都極高的傳感器，裝載相應的軟件就可將智能手機變成一個移動的物理實驗平臺。Phyphox （全稱為physical phone experiments）是德國RWTHAACHEN大學設計研發的一款手機應用軟件APP，安卓或IOS系統均可裝載。它通過調用手機的內置傳感器，結合手機的運動及手機周圍環境的變化進行數據的測量、采集與分析;功能涵蓋力、聲、光、磁等諸多物理實驗;可測量壓力、加速度、光照強度、磁場強度等基本物理量;它的主場景以錄屏的方式展示數據的變化，副場景以攝像的方式記錄了手機的運動，從而將采集到的數據生成相應的數字記錄或圖像，也可導出Excel數據以供進一步的處理;還配備一些實用工具如計時器、傾角測量、音頻發生器等供實驗者調用。此外，Phyphox還可用于研究轉動、震動、碰撞等多種基本運動[ 1-2 ]?？梢姡惭b了Phyphox軟件的智能手機是開展“居家實驗”的優質助手，也為教師改進傳統實驗提供新的思路。

1? 傳統摩擦力實驗方案的不足

人教版高中物理必修一教材中，滑動摩擦力實驗是必做的測定性實驗，需要學生具有測量滑動摩擦力的實驗技能。《普通高中物理課程標準（實驗）》對該內容的要求是“通過實驗認識滑動摩擦、靜摩擦的規律，能用動摩擦因數計算摩擦力”。其中，“通過實驗”是過程性要求，“認識”“能用”是知識與技能維度的要求[ 3 ]。

教材設計的實驗方案如圖1所示，它通過改變接觸面的粗糙程度，利用彈簧測力計勻速緩慢拉動小物塊來觀察摩擦力的變化情況。此方案雖然操作簡單，學生易理解，但是用手拉動彈簧測力，很難保證小滑塊作勻速運動，運動中的彈簧測力計不易讀數，教學效果不佳。

針對教材方案的不足，諸多學者對該實驗進行改進與優化[ 4 ]，但這些改進方法卻存在諸如不具備便捷性、皮帶速度不易控制、儀器不易普及等新的問題。而且由于儀器設備的受限，它們均不適用于“居家實驗”的開展。而Phyphox軟件可調用內置加速度傳感器，能夠測量物體運動過程的加速度，結合牛頓第二定律，即可研究物體運動過程所受摩擦力大小。

下面就如何利用安裝了phyphox軟件的智能手機，結合居家生活用品，探究滑動摩擦力的“居家”實驗作詳細闡述，以此拋磚引玉，開拓“居家”物理實驗新思路。

2? 巧用Phyphox軟件探究滑動摩擦力

結合傳統的實驗思路，利用Phyphox軟件測量滑動摩擦力的設計方案也可以有3種。方案1：將滑塊置于一定傾角的長木板上，使其做勻加速直線運動;方案2：讓滑塊沿固定的水平長木板做勻加速直線運動;方案3：滑塊相對水平長木板做勻加速直線運動。下面基于這三個實驗方案，介紹如何利用Phyphox軟件實現摩擦力的測量。

方案1：

方案1的實驗裝置如圖2（a）所示，涉及的實驗儀器有：滑塊、長木板、家用電子秤、安裝Phyphox軟件的智能手機。實驗的思路是：讓捆綁了智能手機的滑塊沿傾斜長木板做勻加速直線運動。以滑塊和手機作為一個整體，受力分析如圖2（b）所示。設滑塊與長木板的滑動摩擦力為f，手機和滑塊的兩者總質量為M、加速度為a，斜面的傾斜角度為θ，由牛頓第二定律得： Mgsinθ-f=Ma，于是有：f=M（gsinθ-a）?？梢?，只需測得a，M和θ即可求出該過程所受的滑動摩擦力f。其中，M可由家用電子秤獲得，而θ和a均可由Phyphox軟件測得。

操作時，先將智能手機放置在傾斜的長木板上，打開Phyphox軟件對應的“斜面功能”欄，調整斜面的傾斜角，觀測手機的傾斜角示數，直至長木板與固定智能手機的滑塊傾斜角度為30°角時，固定斜面不動;接著將智能手機捆綁固定在滑塊上，再將滑塊安放在固定好角度的長木板上端，啟動程序定時按鈕，設置倒計時時間與運行時間。在倒記時快結束時無初速度釋放滑塊，使其沿斜面下滑。當倒計時結束后，Phyphox軟件會自動打開加速度功能欄，并自動記錄滑塊沿斜面下滑過程中的加速度隨時間的變化情況，測量結果既能以圖象形式呈現，也能將數據導出到excel表格中供使用者分析。方案1的實驗數據如圖3所示。可取加速度變化相對平穩的0.0399-0.0699 s時段內的加速度進行分析，取其平均值，將測量所得的a，M和θ的值代入計算式，即得獲得摩擦力的大小。（本實驗測量的M=0.37 kg，a=1.45 m/s2，g=9.80 m/s2，θ=30°，得f=1.28 N。）

方案2：

同樣是滑塊、長木板、家用電子秤、安裝Phyphox的智能手機等實驗儀器，而如果將長木板水平放置在餐桌面上（固定不動），在長木板的一端固定一滑輪，并增加細線和裝在塑料袋中的礦泉水（充當重物）兩物件。就可將方案1改造為方案2，實驗裝置如圖4（a）所示。將長木板放置在水平桌面上，同樣將智能手機用膠袋捆綁固定在滑塊上，并放置在長木板上，此時滑塊的一端固定一細線，該細線通過長木板一端的定滑輪與重物（礦泉水）相連，在重物的拉動下，滑塊將沿長木板做初速度為零的勻加速直線運動。以滑塊和手機作為一個整體，受力分析如圖4（b）所示。設滑塊與長木板的滑動摩擦力為f，滑塊和手機的總質量為M，重物的質量為m，滑塊和手機的加速度為a，設繩的拉力為T，由牛頓第二定律可知，滑塊滿足：T-f=Ma，重物滿足： mg-T=ma，于是有：f=mg-（m+M）a。同樣只需測得a，m，M，即可求出該過程所受的滑動摩擦力f，此處的a同樣可由Phyphox軟件測得。

利用Phyphox軟件記錄滑塊在水平長木板中運動的加速度，測量結果如圖5所示。取加速度變化相對平穩的0.8490-0.8790 s時段內的加速度作為滑塊在水平長木板運動時的加速度。將測量得的a，m，M的值帶入計算式，可獲取摩擦力的大小。（本實驗測量的M=0.37 kg，m=0.42 kg，a=2.90 m/s2，g=9.80 m/s2，f=1.83 N。）

方案3：

若將方案2的長木板更換成較輕薄的木板之后，適當增加重物的質量，可得如圖6（a）所示的實驗裝置圖。此時同樣是智能手機固定在滑塊上并放置在長木板上，再將長木板放置在水平餐桌面上。將長木板的一端與繩子相連，繩子的另一端掛有重物，放手后，重物拉動長木板水平運動，觀察到滑塊在長木板上發生相對滑動，此時仍然以滑塊和手機作為一個整體，受力分析如圖6（b）所示。設滑塊與長木板的滑動摩擦力為f，滑塊和手機的總質量為M，滑塊和手機的加速度為a，由牛頓第二定律知：f=Ma。依舊利用智能手機Phyphox加速度功能欄，記錄滑塊在運動過程中的加速度，代入公式即獲得摩擦力的大小。測量結果如圖7所示。（本實驗測量的M=0.29 kg，a=3.03 m/s2，f=0.88 N。）

3? 其它案例

利用Phyphox結合生活小物件還可開展許多居家小實驗。

如圖8所示，用安裝Phyphox軟件的手機與蛋糕裱花轉盤可定量探究向心加速度和角速度的大小關系，測量結果如圖9和圖10所示。圖9給出了向心加速度與角速度的拋物線關系，圖10則給出了向心加速度與角速度的平方正比例線性關系，與理論情況吻合程度好。

4? 結論

借助Phyphox軟件改進中學物理實驗，其實驗儀器取材于生活，裝置簡易、原理清晰、操作簡單、數據直觀。實驗結果即能呈現出實驗的動態數據圖象，又能將數據轉換為excel以便于分析。對教師而言，是開展線上教學的良好助手，能為物理實驗教學提供新的方法和思路;對學生而言，能通過“居家實驗”增強實踐動手能力，激發學習物理的興趣，提高物理學科核心素養。

參考文獻：

[1] 周祎， 馬如寶.創設真情境，探究真問題——以phyphox軟件為支架的“牛頓運動定律的應用”教學設計[J].物理教學，2019，41（8）：2-6.

[2] 喻漫雪，周海忠.基于智能手機和Phyphox軟件的小球彈跳實驗研究[J]. 物理通報，2019（11）： 74-77.

[3] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4] 蔡孝文，周新雅，周行，等.對改進一個經典實驗裝置的探索與思考[J].物理通報，2018（9）： 77-79，83.