“用手機測自由落體加速度”教學方案的改進優(yōu)化

【摘要】本文對人教2019年版高中物理教科書數(shù)字化實驗“用手機測自由落體加速度”進行優(yōu)化，提出改進方案，借助Phyphox軟件，讓學生經(jīng)歷科學探究過程，了解手機傳感器的功能，體會自由落體運動的特點，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).

【關(guān)鍵詞】實驗教學；自由落體；高中物理

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出“要重視數(shù)字實驗，創(chuàng)新實驗方式”，并給出相關(guān)定義——“數(shù)字實驗系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實驗數(shù)據(jù)，用計算機軟件分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗系統(tǒng)”［1］.人教2019年版普通高中教科書物理必修第一冊教師教學用書中針對數(shù)字化實驗提出的要求是“學生應(yīng)盡早接觸、學習和應(yīng)用”［2］.物理必修第一冊第二章第四節(jié)“自由落體運動”一節(jié)，教材設(shè)置了做一做“用手機測自由落體加速度”.本文在教學中對實驗方案作了優(yōu)化設(shè)計，并用科學探究的方法設(shè)計實驗步驟，讓學生應(yīng)用科學方法，經(jīng)歷科學探究，進而建立科學思維，形成物理觀念.

1 問題的提出

教材“用手機測自由落體加速度”方案中有4個不好解決的問題.

1.1 智能手機加速度圖線顏色不確定

問題1：不同智能手機，應(yīng)用程序安裝完備后，首先應(yīng)該明確手機傳感器中x，y，z軸的定義方式，不同系統(tǒng)中定義的x，y，z軸正方向可能不同［3］，顯示的加速度圖線顏色不同，要根據(jù)具體實驗中使用手機的顯示情況確定x，y，z對應(yīng)的圖線.

1.2 手機脫離手掌自由下落難以實現(xiàn)

問題2：因為人的反應(yīng)時間有差別，很難做到手掌迅速向下運動時，讓手機脫離手掌而自由下落；實際操作時手機很容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，測出的數(shù)據(jù)誤差較大.

1.3 實驗數(shù)據(jù)表述粗略

教材表述：“從圖中可以看出，黃色圖線有一小段時間的數(shù)值是－10m/s2，這就是自由落體加速度，方向向下.”［4］

問題3：圖線有一小段時間的數(shù)值接近于-10m/s2，并不是－10m/s2；對于“-”號的含義也沒有交代清楚；方向豎直向下，而不是方向向下.

1.4 坐標軸代表的加速度方向交代不清

教材表述：“我們還能看到，自由落體之后有一個向上的波峰，這是用手接住手機時手機做減速運動的加速度，方向向上.”［4］

問題4：一是沒有明確指出坐標軸方向代表的加速度方向，二是“方向豎直向上”，而不是“方向向上”.

2 方案的改進

2.1 將手機長邊豎直放置進行實驗研究

用拇指和食指捏著手機長邊豎直放置在水平桌面上，筆者所用手機加速度傳感器（不含g）界面會看到綠、藍、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機沿圖1所示方向的加速度變化情況，這樣放置，y軸表示豎直方向的加速度變化情況.

2.2 讓手機長邊保持豎直自由落下

經(jīng)多次實驗操作，筆者發(fā)現(xiàn)，只要做到兩點，一是保證拇指和食指捏著手機時不抖動，二是松開拇指和食指時保證手機不晃動，讓手機長邊保持豎直自由落下，手機就能沿豎直方向自由落下，當接觸到海綿墊時發(fā)生反彈，在Phyphox加速度傳感器（不含g）界面就會出現(xiàn)較為理想的實驗圖線.

3 科學探究

3.1 實驗?zāi)康?/p>

用手機測武威市區(qū)自由落體加速度.

3.2 實驗器材

智能手機，Phyphox實驗軟件中的加速度傳感器（不含g），海綿墊，計算機.

3.3 實驗原理

智能手機安裝Phyphox實驗軟件，在加速度傳感器（不含g）界面會看到綠、藍、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機沿圖1所示方向的加速度變化情況.將實驗數(shù)據(jù)導出到釘釘APP，在計算機上分析可得武威市區(qū)自由落體加速度的大小和方向.

3.4 實驗步驟

（1）用拇指和食指捏著手機長邊豎直放置在水平桌面上，開啟Phyphox加速度傳感器（不含g），讓手機水平移動一下，可以看到加速度圖線的x軸綠線和z軸黃線出現(xiàn)一段波動圖線.

（2）把手機沿豎直方向移動一下，可以看到x軸綠線、y軸藍線和z軸黃線均出現(xiàn)一段波動圖線，實驗表明，藍色圖線記錄手機豎直方向的加速度.

說明：系統(tǒng)默認豎直向上為加速度正方向，豎直向下為加速度負方向.

（3）在實驗臺上放好海綿墊，做好手機安全防護的前提下，用單手的拇指和食指捏住手機，確保手機長邊豎直，設(shè)置Phyphox定時運行，延遲3秒，運行2秒.

（4）點擊開始按鈕，倒計時讀秒3，2，1，當手機屏幕上出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)時，突然彈開拇指和食指，釋放手機，手機就會自由落下，Phyphox就會自動完成數(shù)據(jù)采樣和圖標繪制，程序在運行2秒之后自動停止.

（5）觀察手機屏幕上加速度傳感器的圖線，如圖2所示.從圖2中可以看到，藍色圖線有一小段平行于時間軸，這是手機做自由落體運動的加速度；我們還能看到，自由落體運動之后還有一個向上的波峰，這是手機落到實驗臺時手機做減速運動的加速度，方向豎直向上.

（6）手機導出實驗數(shù)據(jù)到釘釘APP.

3.5 實驗數(shù)據(jù)分析

說明：在手機導出實驗數(shù)據(jù)的Excel表格中共有5列，A列表示時間，B列表示x軸方向的加速度，C列表示y軸方向的加速度，D列表示z軸方向的加速度，E列表示絕對加速度.本實驗中y軸方向的加速度，即為豎直方向的加速度.

在多次實驗數(shù)據(jù)中分析比較，選擇最理想的一組實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，數(shù)據(jù)C列中有一小段時間內(nèi)的加速度數(shù)值大小接近于自由落體加速度的標準值9.80665m/s2.

經(jīng)查閱，北京市位于北緯39°56′，自由落體加速度為9.801m/s2；上海市位于北緯31°12′，自由落體加速度為9.794m/s2；武威市位于北緯37°93′，可以確定武威市自由落體加速度介于9.801m/s2和9.794m/s2之間，從圖3實驗數(shù)據(jù)可知，自由落體加速度約為-9.797 m/s2，根據(jù)系統(tǒng)默認的加速度方向，可以確定武威市區(qū)自由落體加速度大小約為9.797 m/s2，方向豎直向下.

3.6 實驗誤差分析

實驗數(shù)據(jù)Excel表格中，B列實驗數(shù)據(jù)表示x軸方向有較小的加速度，D列實驗數(shù)據(jù)表示z軸方向也有較小的加速度，表明手機并不是只做豎直方向的運動.

師生討論總結(jié)可能造成實驗誤差的原因，如表1所示.

4 教學啟示

4.1 實驗方案優(yōu)化增強了實驗效果

對于“用手機測自由落體運動加速度”實驗方案的優(yōu)化，切實解決了實驗效果不佳以及實驗數(shù)據(jù)粗略的問題；課堂教學中學生對于新型科學技術(shù)表現(xiàn)出了濃厚的興趣.

4.2 充分發(fā)揮了Phyphox軟件適時記錄實驗數(shù)據(jù)的功能

實驗中Phyphox軟件適時記錄實驗數(shù)據(jù)，導出到釘釘APP，在Excel表格中可以方便地對比實驗數(shù)據(jù)，省略了計算的過程，節(jié)省了實驗的時間.

4.3 遵循科學探究規(guī)律，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)

“用手機測自由落體運動加速度”實驗優(yōu)化改進，讓學生經(jīng)歷了科學探究的完整過程，突出問題、證據(jù)、解釋、交流等科學探究要素，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).

創(chuàng)造性地使用教材，讓物理實驗現(xiàn)象更明顯、效果更理想、科學探究要素更突出、促進學生物理核心素養(yǎng)落地更有效，應(yīng)該成為每一位物理教師追求的教育教學目標.

【本文系甘肅省教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度重點課題“三新課改背景下高中物理實驗規(guī)范操作及創(chuàng)新優(yōu)化策略研究”（課題批準號：GS［2023］GHBZ173）的階段性成果】

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書教師教學用書（物理必修第一冊）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］鄒麗暉.基于手機傳感器的物理實驗教學研究——以手機加速度計測自由落體加速度為例［J］.中學物理（高中版），2019，37（05）：28-30.

［4］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019.