興喬++艾倫

話說裝備（十八）

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.001

目前的智能手機都具備多種傳感器，并附帶了各種測試軟件，可以對周圍環(huán)境的力、熱、聲、光、電、磁等物理量進行從簡單到復雜的測量。在校的初高中學生乃至小學生，幾乎都備有智能手機，這身邊的實驗教學裝備就給隨時進行的物理實驗創(chuàng)造了條件；而對待數(shù)據(jù)的態(tài)度和數(shù)據(jù)處理的方法則為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力提供了支持。

1 智能手機中的傳感器

智能手機中配備的傳感器，絕大部分屬于MEMS（Micro Electro Mechanical System，微型電子機械系統(tǒng)，或簡稱為微機電系統(tǒng)）傳感器，它的應用已經(jīng)涉及電子、機械、材料、物理、化學、生物、醫(yī)學等多種科技領(lǐng)域。一般的智能手機上都具有了壓力傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、角加速度傳感器、位移傳感器、方向傳感器、光傳感器、聲傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器、濕度傳感器、磁力傳感器、GPS（全球定位系統(tǒng)）定位器等。

1）壓力傳感器其實是大氣壓力傳感器，一般只能用于測量大氣壓強，但也可以根據(jù)當前位置的大氣壓計算出海拔高度。

2）重力傳感器實質(zhì)上是重力加速度傳感器，以測量當前位置的重力加速度值為主。

3）加速度傳感器也稱線性加速度傳感器，用于測量線性加速度或速度的變化情況。

4）角加速度傳感器也稱三軸陀螺儀傳感器，用于測量X、Y、Z這三個方向的角加速度。

5）位移傳感器也稱接近傳感器或距離傳感器，用于測量物體到手機之間的距離。

6）方向傳感器也稱電子羅盤，可測量當前位置的東、南、西、北各個方向。

7）光傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的光照度。

8）聲傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的聲場強度。

9）溫度、濕度傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的溫度和濕度。

10）紅外傳感器可以用于測量附近物體的紅外輻射強度。

11）磁力傳感器可以用于測量當前位置的磁場強度。

需要說明的是，并非所有的手機都配備了上述諸傳感器，同樣也不是上述傳感器就囊括了手機傳感器的全部，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，將會有更多具有特殊功能的傳感器出現(xiàn)在手機上。相信今后的手機不僅要配備這些可用于物理學量測量的傳感器，用于化學量、生物學量測量的各種傳感器也將會逐步出現(xiàn)，屆時手機對化學、生物學實驗教學的測量儀器作用也就會展現(xiàn)出來。

2 智能手機中的測量軟件

智能手機中配備的各種傳感器為物理量的測量提供了硬件條件，為了能夠盡量準確地測量和提供數(shù)據(jù)，還需要編制相應的應用程序來完成測量和計算。目前為各種手機編制的測量軟件已經(jīng)十分豐富，此處僅以Android（安卓）系統(tǒng)為例作簡單介紹。

1）多功能測量工具Smart Tools。這是一個集合了多個測量工具的應用軟件，可分別測量長度、角度、坡度、距離、高度、寬度、面積、方向等；并具有金屬探測儀、全球定位系統(tǒng)、智能羅盤、聲級計、測振儀等功能。

2）超級工具箱。該軟件集成了鬧鐘、計時、手電筒、指南針、錄音機、計算器、日歷、測量尺、水平儀、垂直儀、分貝儀、計步器等12種工具。

3）自動距離。該軟件可快速測量任何物體的距離或高度，提供數(shù)據(jù)的單位為米（m），并具有三位有效數(shù)字。

4）超級尺子。該軟件具有水平儀和垂直測準儀的功能，同時還提供了大距離測量，有效數(shù)字達到四位。

5）還有大量單一功能的測量工具軟件，如溫度計、聲壓分貝計、光度計、高度計、速度計、濕度計等。所有這些軟件在進行測量時，為了數(shù)據(jù)的精確性往往不是僅依靠一種傳感器，而是綜合使用多種傳感器來得到一個測量結(jié)果。例如：測量海拔高度的軟件就同時使用了壓力（氣壓）傳感器和GPS定位器；測量方向時則聯(lián)合使用了陀螺儀和電子羅盤；等等。

Android是基于Linux主要用于移動設備自由與開放源代碼的操作系統(tǒng)，其開放性為用戶開發(fā)編制該操作系統(tǒng)下的應用軟件提供了寬松的條件。雖然在互聯(lián)網(wǎng)上可以自由下載安裝上述各種測量應用軟件，但這些軟件未必能夠真正滿足學校實驗教學時學生對物理量的測量，所以開發(fā)新型的應用軟件是必要的，也是可行的。

3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理

用手機測量物理量的最大問題是測得數(shù)據(jù)的可靠性，這里有兩個方面需要說明：一個是測量值與“真值”之間的差距或測量誤差的大小，即精確度；另一個是測得數(shù)據(jù)有效數(shù)字位數(shù)的多少，即分辨率。關(guān)于精確度的問題涉及到測量誤差理論，在實驗過程中一般存在兩種測量誤差：一個是構(gòu)成實驗系統(tǒng)的儀器和設備由于制造不精準而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；另一個是實驗者由于生理和心理的影響使得操作上產(chǎn)生的隨機誤差。通常，減少系統(tǒng)誤差的方法是盡量使用精度高的儀器設備和經(jīng)常對儀器設備進行校準，而減少隨機誤差的方法則是在實驗中對一個數(shù)據(jù)進行多次測量。

手機中的傳感器因為成本問題使得其精度是很低的，所以在用手機作為實驗儀器的測量時，要想降低系統(tǒng)誤差是比較困難的。但是，使用手機進行測量的最大優(yōu)勢在于手機的數(shù)量多，實驗過程中有很多學生共同參與，這將會大幅度減少系統(tǒng)誤差和隨機誤差，而這一點是具有理論依據(jù)的，這個理論依據(jù)就是統(tǒng)計物理的律[1]。

律是說若一個系統(tǒng)的測量標準差（即系統(tǒng)誤差）是Δ，則隨著樣本量n的增加，測量標準差將呈現(xiàn)規(guī)律的下降。具體到物理實驗中，如果使用n=4只不同手機對同一個物理量進行測量，則測量誤差（系統(tǒng)誤差與隨機誤差）將由原來的Δ變?yōu)?.5Δ；而若使用n=100只手機測量，測量誤差就減少為0.1Δ了，即降低了一個數(shù)量級。其實在這里能夠使用律是基于一個基本假設的，那就是假設手機的設計制造都是努力地使得傳感器的測量值盡量接近真值。但由于材料上和工藝上的原因，使它們隨機地偏離了真值，并在真值附近呈正態(tài)分布。這個假設顯然應該是成立的，因為任何一個手機傳感器的設計制造者都會這樣地去追求產(chǎn)品質(zhì)量的。

有效數(shù)字位數(shù)是測量中另一個需要關(guān)心的問題。各種不同手機具有不同的傳感器和相應的軟件，測量結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的有效數(shù)字位數(shù)也是不同的，所以需要對所有參與測量手機提供的測量結(jié)果進行處理，即在計算所有數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值時應根據(jù)有效數(shù)字處理原則，保留的有效數(shù)字位數(shù)為所有參加運算數(shù)據(jù)中的最少位數(shù)。

4 手機實驗測量的意義

為了讓學生了解現(xiàn)代化的測量儀器設備，購置和配備精良的實驗教學裝備是必要的。但是，學生利用低劣的儀器設備，通過自主的研究和設計，培養(yǎng)出他們能夠測量和計算出精準結(jié)果的知識與能力才是更為重要的，因為這種能力是創(chuàng)新型人才真正所應該具備的能力。記得2003年首都師范大學教育技術(shù)系建立新實驗室，購置了大量高檔儀器設備，其中僅示波器就都是進口、寬帶、存儲型的。當請來北京大學信息科學技術(shù)學院的王楚教授和謝柏清教授對實驗室進行項目評估時，兩位教授對此大不以為然。他們說他們現(xiàn)在的實驗室中仍然使用20世紀五六十年代的國產(chǎn)電子管示波器，但是他們的學生可以根據(jù)測試波形失真的情況（如波形倒角等）計算出示波器的實際帶寬、波形的延遲等一系列參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對實驗結(jié)果進行精確的數(shù)據(jù)處理。

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是一個重大問題，其中培養(yǎng)模式與培養(yǎng)方法非常的關(guān)鍵，所以教育裝備在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的地位與作用是十分值得認真研究的。

參考文獻

[1]薛定諤.生命是什么[M].羅來歐,羅遼復,譯.湖南科學技術(shù)出版社,2003:15.

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