利用Phyphox軟件突破超重和失重教學難點問題

張萬里

(安徽省宿州市第二中學,安徽 宿州 234000)

超重和失重是現(xiàn)實生活中常見的現(xiàn)象,也是學生概念容易出錯的章節(jié),很多學生會認為超重就是重力增加了、失重就是重力減小了,或者認為超重失重與物體運動方向或速度大小有關(guān)[1].究其原因是學生難以直接從運動聯(lián)系力,這之間的思維跨度較大.在新課程標準的要求中為:通過實驗,認識超重和失重現(xiàn)象.在日常教學中應(yīng)該以實驗探究為手段,讓學生發(fā)現(xiàn)與討論實驗現(xiàn)象、分析實驗數(shù)據(jù)、最終自主獲得這一部分知識.

在日常教學中,教師通常采用人乘坐電梯上下樓的視頻來處理,省略了探究的過程.另外,在教材中,利用人站在體重計上下蹲引入本節(jié)課,同時在后面的“思考與討論”中展示了人在下蹲和站起的過程中力傳感器的示數(shù),說明人蹲起的過程是探究超重和失重的非常重要實驗.但是人下蹲過程體重計上示數(shù)變化比較快,不方便記錄數(shù)據(jù),并且只能少數(shù)學生能真正觀察到實驗.后面“思考與討論”上的圖更是需要思維進一步加工處理,明白什么時候是站立狀態(tài),什么時候是下蹲、起立過程.對學生的能力要求較高,對初學者來說難以理解.

為了突破這一難題,本文借助手機自帶的加速度傳感器,實時顯示人的加速度大小和方向,并用多機位拍攝人在體重秤上蹲起時體重秤和人蹲起過程的視頻,再采用視頻合成、慢放的方法,更直觀地展示蹲起過程中的超重和失重現(xiàn)象問題.

1 手機傳感器

智能手機功能越來越強大,利用智能手機可以測量光、加速度、向心加速度、彈簧振子、單擺等信息,并實時以數(shù)字或圖形的形式展示出來.本實驗借用手機物理工坊(Phyphox)軟件,探測手機沿y軸方向(豎直方向)的加速度,并將加速度隨時間的變化以圖形的形式展現(xiàn)出來.(說明:軟件可通過應(yīng)用商城免費下載.)

2 實驗過程

2.1 實驗準備

首先找一位身體素質(zhì)較好的同學,把手機用膠帶綁在學生的手臂上,如圖1所示,并交待學生在蹲起的過程手臂夾緊身體,這樣就可以近似認為手機的運動和人重心的運動一樣.用手機可以近似測出人體重心運動的加速度.

圖1 左手綁上手機的同學

圖2 phyphox軟件界面

圖3 學生站在體重計上,另一個學生錄制體重計示數(shù)變化的視頻

打開手機物理工坊軟件,并選擇加速度(不含g),這樣得到的加速度就是減去重力加速度后的數(shù)據(jù).點擊圖表.點擊運行按鈕(右上角的“三角形”按鈕),顯示加速度的即時變化.正值為加速度方向向上,負值為加速度方向向下.

2.2 實驗過程

讓該同學站在體重秤上,體重秤就會顯示該同學的體重,由于實際生活中體重常用“斤”作為單位,學生對“斤”這個單位比較敏感.所以我們將體重秤的單位改為“斤”.再找兩個同學分別用手機錄制體重秤的示數(shù)和學生蹲起的過程.

2.3 實驗圖像處理

利用三個手機分別錄制該同學蹲下和起立過程中不同視角的視頻,分別獲得蹲起過程中的姿態(tài)、體重秤示數(shù)和加速度的大小和方向數(shù)據(jù).由于時間極短,轉(zhuǎn)瞬即逝.所以三個視頻都利用“剪映”軟件先都慢放十倍,這樣可以把整個蹲起過程的時間擴大到一分鐘左右,給學生以充足的反應(yīng)時間.同時將三個視頻剪切在一起,同時播放學生蹲起狀態(tài)、體重秤示數(shù)、加速度情況.讓學生更直觀地看到三者的關(guān)系.也可以有意識地引導學生先觀察其中人在蹲起時的姿態(tài)和對應(yīng)的體重秤示數(shù)變化,再觀察體重秤示數(shù)的變化和加速度圖像的聯(lián)系,最后三者一起看,降低思維間的跨度,更容易理解三者之間的關(guān)系,并徹底清晰蹲起的過程中超重和失重情況.

圖4為將三個視頻合成在一起的圖像,圖像的最底層為加速度傳感器上加速度的圖像,正值表示加速度方向向上,負值表示加速度方向向下.圖形上下起伏是因為傳感器比較靈敏,并且學生也不可能完全的靜止不動,所以有加速度在0附近的微小浮動.

圖4 實驗者靜止站在體重計上時合成圖像

2.4 實驗現(xiàn)象

2.4.1下蹲過程

學生靜止站在體重秤上時為137.5斤,下蹲開始狀態(tài)時,如圖5所示,體重秤的示數(shù)明顯小于重力,人處于失重狀態(tài).同時觀察到視頻的最右邊加速度的瞬時值,發(fā)現(xiàn)加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重狀態(tài).

圖5 剛開始下蹲時的圖像

如圖6所示,學生快蹲到最低點時,體重秤的示數(shù)明顯大于人的重力,人處于超重狀態(tài).同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重狀態(tài).

圖6 下蹲即將結(jié)束時的圖像

2.4.2起立過程

如圖7所示,學生剛起立時,體重秤的示數(shù)明顯大于人的重力,人處于超重狀態(tài)[2].同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重狀態(tài).

圖7 剛開始起立時的圖像

如圖8所示,起立到將要站直身體時,體重秤的示數(shù)明顯小于重力,人處于失重狀態(tài).同時觀察到加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重狀態(tài).

圖8 即將站直時的圖像

2.5 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

為了更清晰地展示超重失重與什么因素有關(guān),可以設(shè)計表格,讓學生根據(jù)視頻中獲得的數(shù)據(jù)填入表格中,再分析數(shù)據(jù):

表1 蹲起中的超重與失重記錄表

由以上分析可知,人在下蹲的過程中先失重再超重,對應(yīng)加速度方向先向下再向上;起立的過程中先超重再失重,對應(yīng)的加速度方向先向上再向下.由此很輕易地得出:超重與失重并不是物體的重力增加或者減小了,更是與速度大小無關(guān);僅僅與物體的加速度方向有關(guān).

3 實施建議

課堂教學時,可以準備一個帶藍牙的體重計,可以在手機上實時顯示體重計上的示數(shù).首先讓學生猜測一下,人在蹲起的過程中體重計的示數(shù)有怎樣的變化,然后選一個男生上臺演示在體重計上的蹲起,這時將手機屏幕投屏到多媒體上,讓所有學生看到示數(shù)的變化,從而引起學生極大的學習興趣.這時學生會看到體重計上示數(shù)是有變化的,但是變化太快一下子不能反應(yīng)過來,由此引出提前準備好的慢放視頻,讓學生們對照視頻填寫數(shù)據(jù)記錄表(可以在關(guān)鍵點時暫停一下,給學生時間記錄),并讓學生間討論,得出結(jié)論.

利用該實驗有如下優(yōu)點:

(1)將學生參與實驗的門檻大大降低了,學生可以在家里重復實驗,學生的體驗性特別好.

(2)通過現(xiàn)場演示,充分調(diào)動了學生的積極性;速度,加速度等信息都可以直接找到,省略了學生從速度到加速度的思維過程,可以直接分析超失重與加速度的關(guān)系,大大降低了學生學習本節(jié)知識的門檻.

(3)將人蹲起過程中枯燥繁瑣的數(shù)字、邏輯推理轉(zhuǎn)化為了更簡單易懂的圖形.將轉(zhuǎn)瞬即逝、不便記錄的難題,通過視頻慢放并剪輯在一起實現(xiàn)新突破.