利用智能手機(jī)巧做物理實(shí)驗(yàn)

周和建

(浙江省臺(tái)州市第一中學(xué)，浙江 臺(tái)州 318000)

1 引言

隨著智能手機(jī)的普及和現(xiàn)代技術(shù)與教育的不斷融合，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也在發(fā)生變化。除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材之外，傳感器的使用也已非常普遍，智能手機(jī)也正逐漸成為物理實(shí)驗(yàn)的常備器材。《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》明確提出：“以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化”，智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用就體現(xiàn)了這一要求。

2 智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)

隨著傳感器技術(shù)的不斷成熟，傳感器的小型化使得智能手機(jī)集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，例如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器和磁傳感器等。

在智能手機(jī)里安裝軟件，例如Phyphox軟件，就可以實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，例如加速度、壓強(qiáng)、聲強(qiáng)、磁場(chǎng)等，能與物理實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，為開發(fā)實(shí)驗(yàn)提供新的方法和途徑。

Phyphox軟件由德國亞琛工業(yè)大學(xué)的第二物理研究所開發(fā)，一經(jīng)面世便受到廣泛關(guān)注和好評(píng)，它將不同的傳感器進(jìn)行模塊化組合，方便研究和分析諸如滾動(dòng)、單擺、超重和失重等基本運(yùn)動(dòng)。[1]

3 實(shí)驗(yàn)案例的開發(fā)

智能手機(jī)里的加速度、聲音、陀螺儀傳感器在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，基于這些傳感器可開展的實(shí)驗(yàn)如表1所示，對(duì)改進(jìn)教師演示實(shí)驗(yàn)和開發(fā)學(xué)生課外實(shí)驗(yàn)都很有價(jià)值。

表1

3.1 基于加速度傳感器開發(fā)實(shí)驗(yàn)

加速度傳感器是通過手機(jī)的坐標(biāo)系分別在X、Y、Z軸的位移變化來測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度，手機(jī)軟件能夠分別記錄X、Y、Z軸的加速度隨時(shí)間變化的圖像。

3.1.1 用手機(jī)研究自由落體運(yùn)動(dòng)并測(cè)量自由落體加速度

智能手機(jī)里集成了加速度傳感器，可以實(shí)時(shí)記錄手機(jī)的加速度隨時(shí)間變化的情況。如圖1所示，讓手機(jī)自由下落，就可以測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度。[2]

圖1

3.1.2 利用智能手機(jī)研究超重和失重現(xiàn)象

超重和失重的典型運(yùn)動(dòng)學(xué)特征就是加速度的方向。物體處于超重狀態(tài)時(shí)，加速度的方向向上，物體處于失重狀態(tài)時(shí)，加速度的方向向下。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量出加速度的方向，并與超重和失重現(xiàn)象建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度研究超重和失重現(xiàn)象。

智能手機(jī)里有功能強(qiáng)大的加速度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)確定加速度方向的功能。手握智能手機(jī)，并與人體保持相對(duì)靜止，人先“下蹲”后“起立”得到Z軸上加速度隨時(shí)間變化的圖像如圖2所示。

圖2

3.1.3 描繪簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的加速度隨時(shí)間變化的圖像

手機(jī)里集成的加速度傳感器，可以實(shí)時(shí)記錄手機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度信息，利用Phyphox軟件可以繪制出a-t圖像。手機(jī)在豎直方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過程中，為控制其振動(dòng)的穩(wěn)定性，對(duì)組裝器材提出了很高的要求(圖3)。可以從記錄的a-t圖像中間接證明簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律(圖4)，可促進(jìn)學(xué)生形成能量觀念。熟練運(yùn)用科學(xué)推理，得出x-t圖像和a-t圖像的聯(lián)系，幫助學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。

圖3

圖4

3.1.4 對(duì)比研究彈簧振子的自由振動(dòng)和阻尼振動(dòng)

由彈簧振子的回復(fù)力F=-kx，可得回復(fù)力F隨時(shí)間t變化的圖像也是正弦式曲線；再由牛頓第二定律，加速度a隨時(shí)間t變化的圖像也是正弦式曲線。并且a-t圖像的周期等于x-t圖像的周期，即彈簧振子的振動(dòng)周期，a-t圖像的峰值可以反映x-t圖像的峰值(即振幅)。

在彈簧振子做自由振動(dòng)時(shí)，a-t圖像的周期和峰值保持不變(圖5)；而在彈簧振子做阻尼振動(dòng)時(shí)，a-t圖像的周期不變，但峰值會(huì)逐漸減小(圖6)。用智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用手機(jī)里的加速度傳感器，通過Phyphox軟件，可以描繪彈簧振子的加速度隨時(shí)間變化的a-t圖像，[3]進(jìn)而對(duì)比驗(yàn)證彈簧振子做自由振動(dòng)和阻尼振動(dòng)的a-t圖像是否與上述推理相吻合。

圖5

圖6

進(jìn)一步結(jié)合能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，對(duì)彈簧振子的自由振動(dòng)和阻尼振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析。可知：在無阻尼振動(dòng)中，彈簧的彈性勢(shì)能和物體的動(dòng)能發(fā)生轉(zhuǎn)化，但總能量守恒；在阻尼振動(dòng)中，系統(tǒng)克服阻力的作用要做功，消耗機(jī)械能，因而振幅減小，最后停下來，可促進(jìn)學(xué)生發(fā)展能量觀念。

3.2 基于聲音傳感器開發(fā)實(shí)驗(yàn)

Phyphox軟件里常用的聲學(xué)功能有3個(gè)：(1)利用聲音傳感器可以測(cè)量聲音的振幅、頻率。(2)設(shè)有音頻發(fā)生器，可以產(chǎn)生確定頻率的聲音。(3)利用聲學(xué)秒表功能可以獲得兩個(gè)聲音事件間的時(shí)間間隔。

3.2.1 用聲學(xué)秒表研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

在研究自由落體運(yùn)動(dòng)位移x隨時(shí)間t變化的規(guī)律中，位移的測(cè)量較為方便，困難的是準(zhǔn)確測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔。由于人存在反應(yīng)時(shí)間，所以較短的時(shí)間間隔需要用儀器自動(dòng)記錄。聲學(xué)秒表具有精確度與靈敏度較高的特點(diǎn)，如果能讓自由落體運(yùn)動(dòng)的始末狀態(tài)分別發(fā)出聲音信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔的功能。

方案一：如圖7所示，利用筆快速擊打鋼尺，發(fā)出聲音信號(hào)，聲學(xué)秒表開始計(jì)時(shí)。同時(shí)鋼尺上的小鐵球開始做自由落體運(yùn)動(dòng)，落在地面上時(shí)再次發(fā)出聲音，聲學(xué)秒表停止計(jì)時(shí)。

圖7

方案二：如圖8所示，用針刺破氣球，發(fā)出聲音信號(hào)，聲學(xué)秒表開始計(jì)時(shí)。同時(shí)，氣球下懸掛的鉤碼開始做自由落體運(yùn)動(dòng)，鉤碼落在地面上時(shí)再次發(fā)出聲音，聲學(xué)秒表停止計(jì)時(shí)。[4]

圖8

3.2.2 用聲學(xué)秒表測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度

如圖9所示，在A、B兩處各放置一部手機(jī)，并各站立一位同學(xué)。用卷尺測(cè)出A、B兩處的距離d。A處的同學(xué)擊掌后，A處的手機(jī)立即開始計(jì)時(shí)，聲音信號(hào)傳播d距離后，使得B處的手機(jī)開始計(jì)時(shí)。B處的同學(xué)擊掌后，B處的手機(jī)立即停止計(jì)時(shí)，聲音信號(hào)傳播d距離后，使得A處的手機(jī)停止計(jì)時(shí)。[5]

圖9

由于A處手機(jī)所記錄的時(shí)間長于B處手機(jī)所記錄的時(shí)間。二者記錄的時(shí)間差值為聲音在空氣中傳播2d距離所用的時(shí)間。因此將2d距離除以兩部手機(jī)記錄的時(shí)間差值，就可測(cè)出聲音在空氣中傳播的速度大小(圖10)。

圖10

3.2.3 利用智能手機(jī)研究多普勒效應(yīng)

Phyphox軟件里有兩種功能：(1)利用音頻發(fā)生器功能可以產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的聲音，可以作為聲源使用；(2)利用多普勒效應(yīng)功能可以測(cè)量得到頻率隨時(shí)間變化的圖像。

針對(duì)多普勒效應(yīng)常見的4種情況(表2)，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

表2

3.3 基于陀螺儀傳感器開發(fā)實(shí)驗(yàn)

陀螺儀傳感器會(huì)給出陀螺儀的角速度和向心加速度數(shù)據(jù)，而這兩個(gè)物理量在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難進(jìn)行測(cè)量。

3.3.1 研究向心加速度與角速度的關(guān)系

智能手機(jī)里集成了加速度傳感器，當(dāng)手機(jī)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以直接測(cè)量出手機(jī)的向心加速度和角速度，通過畫圖可找到二者的關(guān)系。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)界面中a-ω圖像和a-ω2圖像的對(duì)比分析，再一次體會(huì)到“化曲為直”的思想以及它在數(shù)據(jù)處理中的重要作用。

離心干燥器是洗衣機(jī)的重要部件，也是“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”一節(jié)的實(shí)例。將離心干燥器與離心轉(zhuǎn)臺(tái)相結(jié)合，是演示離心運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。將智能手機(jī)固定在離心干燥器上，研究圓周運(yùn)動(dòng)中向心加速度與角速度的關(guān)系，是對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置和方案的改進(jìn)(圖11)，固定智能手機(jī)時(shí)，既要保證其作完整的圓周運(yùn)動(dòng)，又要避免轉(zhuǎn)得太快而發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)對(duì)手機(jī)造成損壞。[6]

圖11

3.3.2 利用智能手機(jī)研究單擺的運(yùn)動(dòng)

如圖12所示，將智能手機(jī)懸掛起來近似作為單擺來使用，手機(jī)內(nèi)部的陀螺儀傳感器可以描繪單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)圖像，并自動(dòng)測(cè)量出單擺的振動(dòng)周期。這樣就避免了用秒表或者光電門去測(cè)量周期，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量過程，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

圖12

對(duì)單擺的運(yùn)動(dòng)周期T可以用手機(jī)自動(dòng)測(cè)量，擺長L可以用米尺測(cè)量，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭可以查表獲得，可驗(yàn)證單擺的周期公式。

利用智能手機(jī)Phyphox軟件可以將很多物理實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單快捷和便于操作，其廣泛應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的開發(fā)。