智能手機在高中物理實驗教學中的應用分析

【摘要】21世紀以來，世界逐漸進入信息時代，科學技術在教育領域推廣和應用發展到了前所未有的程度，產生了深遠的影響，教育信息化已成為全球教育發展的必然趨勢.手機作為信息化時代科學技術的新產物，其功能愈來愈強大，已從最開始只具備基本通信功能，提升為集多種重要功能為一體的智能載體.將智能手機作為物理教學的輔助工具，可以加速現代教育技術和物理課程的融合.

【關鍵詞】信息技術；高中物理；實驗教學

21世紀的今天，隨著社會的發展，信息化遍布全球，不僅促進了經濟、生活、科技等方面的發展，對現代教育也產生了巨大影響.智能手機作為信息技術發展中的一個新興產品，已與人們的生活形影不離.我們不僅可以利用手機的附加功能，將現實生活中的素材引入物理實驗教學，還可以讓手機本身成為實驗的一部分.目前，大多數智能手機內部安裝有十余種傳感器，它們具有精確直觀的傳感探測能力.此外，基于手機傳感器的數據測量軟件也在持續開發，將智能手機內置傳感器與相關軟件結合在一起，來輔助物理實驗的教學方式受到越來越多的關注.

1 智能手機融入高中物理實驗教學的可行性分析

智能手機一般都配有重力、加速度、距離、聲音、磁場和陀螺儀等各種類型的傳感器，因此可以利用能夠讀取各種傳感器數值的應用程序，幫助教師將手機中的各種

傳感器

獲取的數據應用在物理實驗教學中，提高實驗的精確度.例如phyphox和Physics Toolbox Suite等，它們可以獲取原始傳感器相關數據，并有力學、光學、電磁學等分類以及斜面、尺等工具.同時，智能手機強大的實驗功能支持可以助力物理教學簡化教學難點，使學生印象更深刻，對于知識點的理解與運用也會變得更容易，減輕學生學習壓力，對于學習效率的提升，也有很大程度上的促進作用.由此可見，將智能手機融入物理實驗教學當中是很有研究前景的.

2 支持高中物理實驗教學的智能手機功能分析

2.1 智能手機的硬件支持

智能手機在物理實驗中的應用，主要得益于其集成的各種傳感器和高性能的硬件支持.這些硬件設備為物理實驗提供了精確的數據測量、實時反饋和便攜操作的可能性.智能手機具有Wi-Fi無線網絡和藍牙傳輸等功能，可向其他設備傳輸數據.基于智能手機的操作系統可以通過自身配置的傳感器豐富擴展手機功能，傳感器能夠感知周圍環境，然后將環境信息轉化為數據信息參數傳輸，CPU中心對這些數據信息作出反應處理，使手機具有“智能”的功能［2］REF_Ref173598128＼r＼h＼*MERGEFORMAT.智能手機內置傳感器，為物理實驗教學提供了技術支持.通過數據采集，匯總了常見智能手機設備的傳感器及相關應用，如表1所示.

2.2 智能手機的軟件支持

手機的基本系統功能有限，通過開發可安裝的擴展功能程序，即手機軟件，可以改善原系統的不足.應用市場對應于不同的手機，可用于下載各種應用軟件.其中，可用于物理實驗教學的軟件包括Science Journal、Sensor Sense、phyphox等.本文的物理實驗借助phyphox進行設計，該軟件通過調動內置在手機中的各種傳感器，根據手機周圍環境的變化和手機的移動來測量和保存數據，從而進行物理或其他主題實驗［3］REF_Ref173598108＼r＼h＼*MERGEFORMAT.該軟件目前支持十幾個傳感器.中學物理實驗中最常用的傳感器就是加速度傳感器.它可以用來做各種物理實驗，比如驗證牛頓第二定律、測量物體加速度的大小和方向等.

3 智能手機在高中物理實驗教學中應用的意義

3.1 利用智能手機設計物理實驗，對學生的學習有積極作用

利用智能手機開展物理實驗教學不僅有利于激發學生學習動機、提升學習效果和實踐操作能力，而且有利于學生創新創造能力的培養.智能手機作為學生日常生活中不可或缺的一部分，將其融入學習過程可以極大地提高學生的學習興趣和參與度.當學生使用自己熟悉和喜愛的設備進行學習時，他們更加愿意參與到學習活動中來.

3.2 利用智能手機設計物理實驗，有助于物理課程改革的實施

基于智能手機設計物理實驗，不僅深化了師生對實驗的理解，更有助于學生感受到物理實驗的魅力.在當前教育環境中，科技的融入為傳統教學模式帶來了革新性的變革.特別是物理課程，作為一門實驗科學，其教學方式能夠通過現代科技得到極大的豐富和擴展，不僅提高了教學效率，還促進了物理課程改革的實施.

3.3 利用智能手機設計物理實驗應用前景廣闊

智能手機在全球范圍內的普及率極高，絕大多數學生都可以方便地接觸到這項技術.這使得基于智能手機的物理實驗教學能夠覆蓋更廣泛的學生群體，不受地域或經濟條件的限制.同時在軟件開發市場上基于物理實驗開發的軟件越來越多，這對于利用智能手機開展物理實驗，創造了廣闊的空間.

4 基于智能手機設計的阿特伍德機驗證牛頓第二定律

阿特伍德機是由英國數學家喬治·阿特伍德所發明的驗證恒定加速運動定律的實驗儀器.其基本結構為一根質量近似為零、幾乎沒有形變伸長的細繩跨在一個光滑的、無轉動的滑輪上，繩子的兩端分別掛著兩個重量略為不等的重物［4］REF_Ref173664349＼r＼h＼*MERGEFORMAT.這種裝置常出現于高中物理教學中，用于解釋物理學中常見的力學原理（如圖1）.傳統的阿特伍德機實驗通常依賴于手動計時和測量，這可能會引入人為誤差并影響數據的準確性.例如常見的利用阿特伍德機驗證牛頓第二定律的實驗裝置（如圖2）由鐵架臺、打點計時器、紙帶以及兩個懸掛的物體m1、m2構成.此裝置存在逐差法中的位移差測量、時間間隔的確定和人為讀數等因素導致的誤差.而基于智能手機改良的阿特伍德機可以有效避免上述誤差，智能手機內置的加速度傳感器可以提供一種更精確、高效的方式來收集實驗數據，尤其是在考慮到滑輪旋轉的情況下，這對于完整地理解阿特伍德機的運動學原理至關重要.

實驗裝置 由定滑輪、細繩、4內置加速度傳感器的手機（兩部）和不同負載組成的阿特伍德機實驗裝置（如圖3）.

實驗原理 教師將細繩兩邊分別掛上帶有加速度傳感器的智能手機和鉤碼，跨過滑輪，使m1gt;m2，根據牛頓第二定律及轉動定律，列出下列方程：T1－m1g=m1a，T2－m2g=m2（－a），J=rα，J=12mpr2，T1r－T2r=Jα.

m1、m2為細繩兩邊物體的質量，T1、T2分別為滑輪兩邊

繩子的拉力，a表示物體加速度，J為滑輪的轉動慣量，r為滑輪的半徑，mp為滑輪質量，α是滑輪轉動的角加速度，聯立上式可解得：

a=m1－m2m1+m2+12mpg.

實驗方法 提前運用智能手機的加速度傳感器測量出當地的重力加速度g.接著測出m1和m2的質量，調整好裝置，運行phyphox，進入“加速度（不含g）”頁面，選擇“加速度”（不含g）一欄，為了方便實驗操作，在加速度功能頁面可選擇定時運行，啟動延遲設置為3.0s，實驗時長設置為5.0s，然后點擊屏幕右上角閃爍的三角形即可開始實驗.運行程序，釋放物體，記錄數據.從質量較重的一端取下鉤碼，掛到另外一側，再次釋放物體，并對整個運動過程進行數據的記錄，接著在繩子兩端減去相同重量的鉤碼，釋放物體，測量數據，然后重復進行實驗并記錄數據，最后將數據記入表中，進行分析和討論.

實驗記錄加速度數值以及相關數據如表2所示.通過對表中數據進行分析可知，在誤差允許范圍內可以看出總質量保持不變，物體的加速度與它所受合外力成正比.同理，在合力m1－m2g大小不變的情況下，物體的加速度與物體總質量成反比.

利用加速度傳感器可以輕松測量運動系統的垂直加速度，同時還考慮了通常被以往研究忽略的滑輪轉動.在這個實驗中，智能手機加速度傳感器的使用有助于增強經典力學實驗的傳統演示效果.

5 結語

為了順應時代的變化，教育和信息融合必不可少，在以后的教學研究工作中，時代的發展跨度會更快，教育的發展變革也會更迅速，教育促進社會的發展，科技進步帶動教育進步，科技和教育整合的研究將會一直持續，智能手機應用于物理實驗有著廣闊的應用前景.

參考文獻：

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