基于智能手機的電學創新實驗研究

喬寶義

利用手機借助Phyphox（手機物理工作坊）軟件，探究電容器充放電過程和自感對電路中電流的影響，開展兩個創新實驗設計。該創新實驗設計取材方便，實驗效果明顯，為沒有DIS實驗系統的中學提供了一個優化的實驗方案。

一、探究電容器的充放電過程的創新實驗

（一）教材實驗方案呈現

人教版高中物理選修3—1《電容器的電容》一節中，在“做一做”欄目中提供了“用DIS實驗系統觀察電容器的放電過程”的實驗方案：電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，不同的是，它的反應非?？?，可以捕捉到瞬間的電流變化，將它與計算機相連，能在幾秒內畫出電流隨時間變化的圖像。實驗步驟如下：按照教材圖連接電路（電源用直流8V、電容器選幾十微法的電解電容器）。先使開關S與1端相連，電源向電容器充電。然后把開關S擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計算機，屏幕上顯示電流隨時間變化的I—t曲線。

（二）問題的提出

電容器是學生在高中遇到的第一個非線性電學元件，電容器充放電實驗對幫助學生理解電容器的特性和電容器的工作過程至關重要，了解電容器充放電過程電流呈現的特殊暫態變化有助于學生學習后續的交變電流知識。教材正文中提供的實驗只是通過檢流計指針的變化對電容器充放電過程進行了定性探究。然而在實際實驗中，充放電時間過于短暫，電表指針偏轉迅速，學生無法通過檢流計指針的擺動看清電流的變化特點。本節教材“做一做”中提供了“DIS實驗系統觀察電容器的放電過程”的實驗方案，該實驗可以通過圖像清晰地展示電容器放電過程電流的變化情況。該實驗方案需要借助電流傳感器和配套的系統軟件，使該實驗在沒有傳感器系統的情況下無法開展。本文介紹如何利用唾手可得的智能手機Phyphox完成電容器充放電的實驗，通過實時追蹤實驗數據和手機投屏，使該實驗變得易于開展且形象直觀。

（三）創新實驗設計

1.實驗原理：智能手機中有一個指南針功能，利用的是手機內置的磁場傳感器。借助Phyphox中的磁力計功能，可以顯示手機感受到外界磁場的強弱。實驗中將一個自感系數較小的線圈與電容器串聯，在電容器充放電時，電流會流過線圈，從而在線圈中會產生磁場，線圈軸線上產生的磁場與線圈中的電流成正比，線圈軸線上磁場的變化與線圈中電流的變化是一致的。通過手機探測線圈軸線上的磁場，利用Phyphox中的磁力計功能中的圖表數據，顯示磁場的變化情況，從而反映電流的變化特點。

2.實驗器材：線圈一個、學生電源一個、智能手機一部、電容器一個、開關一個、導線若干。

3.實驗步驟：利用智能手機在百度里搜索Phyphox并安裝；按照圖1所示的電路圖連接實驗電路；利用手機投屏功能將手機畫面投屏到筆記本電腦或大屏幕上；打開手機上的Phyphox中的磁力計功能，選擇“簡明值”，點擊開始按鈕（三角形按鈕），通過調整手機方位，使“磁力計X軸”數據為零，完成磁力計的調零；保持手機方位不變，選擇“圖表”，點擊開始按鈕（三角形按鈕），選擇界面中的“平移和縮放”通過雙指縮放使變化圖像收縮成一條直線，在“更多工具”中選擇“跟蹤新數據”；打開電源，閉合開關，觀察電容器充電時電流變化的動態圖像；拆下電源，兩接線頭相接，觀察電容器放電時電流變化的動態圖像；實驗完畢，整理實驗儀器。

4.實驗數據與結論：通過圖像3可知，電容器充電過程中，充電電流逐漸減小，最終減小為零；通過圖4可知，電容器放電過程中，放電電流逐漸減小，最終減小為零；對比圖3和4可知，電容器充電電流的方向與放電電流的方向相反，但變化特點相同。

二、探究自感對電路中電流的影響的創新實驗

（一）教材實驗方案呈現

人教版高中物理選修《互感和自感》一節，在“做一做”欄目中提供了“用DIS實驗系統演示自感對電路中電流的影響”的實驗方案：按教材圖連接電路，可以看到，開關閉合時電流是逐漸增大的；拆掉線圈，按教材圖連接電路，可以看到，閉合開關時電流瞬間增大。

（二）問題的提出

線圈對電路中電流的影響的認識和理解，有助于加強學生對楞次定律的理解，也是學生分析振蕩電路的基礎。所以做好“自感對電路電流的影響”的演示實驗是至關重要的。本節教材“做一做”欄目中提供了“用DIS實驗系統演示自感對電路的影響”的實驗方案，該實驗可以通過圖像清晰地展示自感對電路中電流的影響，效果很好。但該實驗方案需要借助DIS實驗系統，使得該實驗在沒有DIS實驗系統的情況下無法開展。本文將介紹的實驗方案，利用唾手可得的智能手機借助Phyphox來完成該實驗，實驗效果很好，實驗易于開展。

（三）創新實驗設計

1.實驗原理：智能手機中有一個指南針功能，利用的是手機內置的磁場傳感器。借助Phyphox中的磁力計功能，可以顯示手機感受到的外界磁場的強弱。實驗中將一個自感系數較小的探測線圈串聯到電路里，流過自感線圈的電流會流過探測線圈，從而在探測線圈中會產生磁場，探測線圈軸線上產生的磁場與其中的電流成正比，線圈軸線上磁場的變與探測線圈中電流的變化是一致的。通過手機利用Phyphox中的磁力計功能，顯示磁場的變化情況，從而反映電路中電流的變化。

2.實驗器材：線圈一個、學生電源一個、智能手機一部、可拆卸式變壓器一個、滑動變阻器一個、開關一個、導線若干。

3.實驗步驟：按照圖5所示的電路圖連接實驗電路；學生電源接交流6V，a、b間接入變壓器的一個線圈，閉合開關，觀察圖像；其他不變，將線圈拆下來，在a、b間接入滑動變阻器，閉合開關，觀察圖像；實驗完畢，整理實驗儀器。

4.實驗數據與結論：通過對比兩個圖像可知，電路中接入線圈，閉合開關時電流逐漸增大，線圈對電流的變化有阻礙作用。

本文中提供的兩個實驗方案，對教材給出的實驗器材做了創新性改進，利用唾手可得的智能手機代替DIS實驗系統，使得該實驗在更多學校的實際教學中易于開展。利用本實驗方案，既可以進行課堂演示實驗，也可以進行學生分組實驗，實驗器材易得，實驗操作簡單，實驗環境不受限制，而且實驗效果非常明顯。

注：本文系2020年甘肅省臨夏州教育科學規劃“農村中學物理低成本創新實驗的開發與利用”（課題立項號LX[2020]ZD014）的階段性研究成果。

（焦? 佳? 左毓紅）