利用Phyphox軟件突破超重和失重教學(xué)難點(diǎn)問題

張萬里

(安徽省宿州市第二中學(xué),安徽 宿州 234000)

超重和失重是現(xiàn)實(shí)生活中常見的現(xiàn)象,也是學(xué)生概念容易出錯(cuò)的章節(jié),很多學(xué)生會(huì)認(rèn)為超重就是重力增加了、失重就是重力減小了,或者認(rèn)為超重失重與物體運(yùn)動(dòng)方向或速度大小有關(guān)[1].究其原因是學(xué)生難以直接從運(yùn)動(dòng)聯(lián)系力,這之間的思維跨度較大.在新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求中為:通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象.在日常教學(xué)中應(yīng)該以實(shí)驗(yàn)探究為手段,讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)與討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、最終自主獲得這一部分知識(shí).

在日常教學(xué)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(jì)上下蹲引入本節(jié)課,同時(shí)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(shí)驗(yàn).但是人下蹲過程體重計(jì)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(xué)生能真正觀察到實(shí)驗(yàn).后面“思考與討論”上的圖更是需要思維進(jìn)一步加工處理,明白什么時(shí)候是站立狀態(tài),什么時(shí)候是下蹲、起立過程.對(duì)學(xué)生的能力要求較高,對(duì)初學(xué)者來說難以理解.

為了突破這一難題,本文借助手機(jī)自帶的加速度傳感器,實(shí)時(shí)顯示人的加速度大小和方向,并用多機(jī)位拍攝人在體重秤上蹲起時(shí)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(jī)傳感器

智能手機(jī)功能越來越強(qiáng)大,利用智能手機(jī)可以測(cè)量光、加速度、向心加速度、彈簧振子、單擺等信息,并實(shí)時(shí)以數(shù)字或圖形的形式展示出來.本實(shí)驗(yàn)借用手機(jī)物理工坊(Phyphox)軟件,探測(cè)手機(jī)沿y軸方向(豎直方向)的加速度,并將加速度隨時(shí)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(fèi)下載.)

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先找一位身體素質(zhì)較好的同學(xué),把手機(jī)用膠帶綁在學(xué)生的手臂上,如圖1所示,并交待學(xué)生在蹲起的過程手臂夾緊身體,這樣就可以近似認(rèn)為手機(jī)的運(yùn)動(dòng)和人重心的運(yùn)動(dòng)一樣.用手機(jī)可以近似測(cè)出人體重心運(yùn)動(dòng)的加速度.

圖1 左手綁上手機(jī)的同學(xué)

圖2 phyphox軟件界面

圖3 學(xué)生站在體重計(jì)上,另一個(gè)學(xué)生錄制體重計(jì)示數(shù)變化的視頻

打開手機(jī)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(diǎn)擊圖表.點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕(右上角的“三角形”按鈕),顯示加速度的即時(shí)變化.正值為加速度方向向上,負(fù)值為加速度方向向下.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

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

2.3 實(shí)驗(yàn)圖像處理

利用三個(gè)手機(jī)分別錄制該同學(xué)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(shí)間極短,轉(zhuǎn)瞬即逝.所以三個(gè)視頻都利用“剪映”軟件先都慢放十倍,這樣可以把整個(gè)蹲起過程的時(shí)間擴(kuò)大到一分鐘左右,給學(xué)生以充足的反應(yīng)時(shí)間.同時(shí)將三個(gè)視頻剪切在一起,同時(shí)播放學(xué)生蹲起狀態(tài)、體重秤示數(shù)、加速度情況.讓學(xué)生更直觀地看到三者的關(guān)系.也可以有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生先觀察其中人在蹲起時(shí)的姿態(tài)和對(duì)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(gè)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(fù)值表示加速度方向向下.圖形上下起伏是因?yàn)閭鞲衅鞅容^靈敏,并且學(xué)生也不可能完全的靜止不動(dòng),所以有加速度在0附近的微小浮動(dòng).

圖4 實(shí)驗(yàn)者靜止站在體重計(jì)上時(shí)合成圖像

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.4.1下蹲過程

學(xué)生靜止站在體重秤上時(shí)為137.5斤,下蹲開始狀態(tài)時(shí),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(shí)觀察到視頻的最右邊加速度的瞬時(shí)值,發(fā)現(xiàn)加速度的瞬時(shí)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(shí)的圖像

如圖6所示,學(xué)生快蹲到最低點(diǎn)時(shí),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(shí)觀察到加速度的瞬時(shí)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(shí)的圖像

2.4.2起立過程

如圖7所示,學(xué)生剛起立時(shí),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(shí)觀察到加速度的瞬時(shí)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(shí)的圖像

如圖8所示,起立到將要站直身體時(shí),體重秤的示數(shù)明顯小于重力,人處于失重狀態(tài).同時(shí)觀察到加速度的瞬時(shí)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(shí)的圖像

2.5 實(shí)驗(yàn)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(jì)表格,讓學(xué)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(duì)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(duì)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(shí)施建議

課堂教學(xué)時(shí),可以準(zhǔn)備一個(gè)帶藍(lán)牙的體重計(jì),可以在手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示體重計(jì)上的示數(shù).首先讓學(xué)生猜測(cè)一下,人在蹲起的過程中體重計(jì)的示數(shù)有怎樣的變化,然后選一個(gè)男生上臺(tái)演示在體重計(jì)上的蹲起,這時(shí)將手機(jī)屏幕投屏到多媒體上,讓所有學(xué)生看到示數(shù)的變化,從而引起學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣.這時(shí)學(xué)生會(huì)看到體重計(jì)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(zhǔn)備好的慢放視頻,讓學(xué)生們對(duì)照視頻填寫數(shù)據(jù)記錄表(可以在關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)暫停一下,給學(xué)生時(shí)間記錄),并讓學(xué)生間討論,得出結(jié)論.

利用該實(shí)驗(yàn)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)將學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的門檻大大降低了,學(xué)生可以在家里重復(fù)實(shí)驗(yàn),學(xué)生的體驗(yàn)性特別好.

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)演示,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性;速度,加速度等信息都可以直接找到,省略了學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)新突破.