基于Phyphox的牛頓第二定律實驗改進

王麗君

(安徽省蕪湖市中江中學，安徽 蕪湖 241000)

發展學生核心素養是高中物理課程目標，科學探究是物理學科核心素養的一個重要方面。科學探究是指基于觀察提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思，實驗教學是培養中學生科學探究能力的重要途徑。

實驗是物理研究的重要方法，演示實驗作為教學的一種形式，在物理課堂教學中不可或缺，實驗效果直接影響課堂教學效果。傳統的演示實驗教學往往面臨諸多問題，如實驗儀器較為陳舊、實驗現象難以觀察、實驗精度不夠、數據采集和分析困難等，常常達不到預期效果，給物理實驗教學帶來很大的挑戰。在實際教學過程中，大多數老師會采用減少課堂演示實驗的方式來應對，使本來就不多的課堂實踐環節變得更少，難以將理論和實驗結合起來，造成部分學生對物理學習的興趣下降。

現代通信技術飛速發展而且已經普及，智能手機集成了多種傳感器，手機中的傳感器不僅性能越來越強，精度也在逐步提高。將手機傳感器與中學物理實驗教學相結合，不但能節省大量資源，同時也在一定程度上解決了實驗設備短缺等問題，使學生能通過手機更加直觀形象地觀察和記錄物理實驗現象,使得實驗教學變得更加直觀和高效。

Phyphox手機App基于智能手機所配備的傳感器，創建了輔助物理實驗的工具箱，它突破了傳統傳感器操作空間的局限，拓展了物理課外實驗的范圍，且有成本低、方便實用的優點，為物理量的測量提供了新的工具，諸如加速度傳感器、磁傳感器、陀螺儀(旋轉傳感器)、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器、溫度和濕度傳感器等。目前可實現29種測量功能，如加速度、角速度、光照強度、磁感應強度、壓力、聲音的振幅和頻率等物理量的測量。本文基于Phyphox手機APP，利用手機的加速度傳感器，對牛頓第二定律實驗教學進行改進。

1 實驗原理

探究牛頓第二定律時采用控制變量方法。

(1) 控制兩個物體質量之和保持不變，利用手機中加速度傳感器測出物體在運動過程中加速度隨合外力變化的情況，作物體加速度a與合力(M1-M2)g的圖像，進而得出結論：當系統總質量不變時，系統運動的加速度與其所受合外力的成正比。

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，實驗器材為:2 g鉤碼若干、定滑輪、細繩、內置加速度傳感器的手機兩部等。

圖1

3 實驗步驟

(1) 分別測出左側鉤碼和手機總質量M1以及右側鉤碼和手機總質量M2，將懸掛有鉤碼的兩部手機分別懸掛在滑輪兩側，保持總質量不變，測得手機質量為194 g。調整好裝置，做好實驗準備。

(2) 打開兩側手機中的Phyphox App中測加速度(不含g)的項目(圖2)，釋放物體，當物體快落地時停止并記錄數據(圖3)。

圖2

圖3

(2) 將裝置恢復原狀，從質量較大的一側取下一只鉤碼掛到另外一側，再次打開手機“Phyphox”App中測加速度(不含g)項目，釋放物體，并記錄數據。如此多次改變兩側鉤碼的數量進行實驗。實驗時保證兩側物體的總質量之和不變，測出在不同合外力作用下物體加速度的變化情況，再根據測得的數據作a-F圖像。

4 數據記錄與處理

利用加速度傳感器可記錄x、y、z三個坐標軸上加速度隨時間的變化圖像，但由于該實驗中物體在豎直方向上做直線運動，所以只需讀出豎直方向的加速度，同時在其余兩個方向上的加速度為0，也說明了物體在豎直方向上做變速運動，加速度的絕對值如圖3所示，利用加速度—時間圖像求出加速度平均值，將各組物體在豎直方向上的加速度數據記錄在表1中。根據M1和M2的測量值求出合力(M1-M2)g的大小，記錄到表1中。

表1

根據表1中的實驗數據用Excel作a-F圖像(圖4)，從中可以得出結論：在總質量(M1+M2)保持不變的情況下，物體的加速度與物體所受的合外力成正比。

圖4

表2

圖5

5 結語

利用智能手機內置的傳感器和Phyphox App開展牛頓第二定律實驗，可以較準確地得到加速度與合外力、質量的關系。實驗數據可直接從Phyphox手機App中讀出，精確度比傳統方法高，方法更簡便。由于實驗器材來源于生活，既可以用于課堂演示實驗，也適合學生自主探究，實驗過程體現了趣味性和創新性，為物理實驗教學提供了新的思路和方法，有利于培養學生的創新能力和科學探究精神。