惠宇潔

摘 要：豐富的內(nèi)置傳感器使得智能手機(jī)有望成為物理實驗教學(xué)的新工具。本文利用基于傳感器應(yīng)用的手機(jī)軟件Phyphox，介紹聲速的測量、向心加速度與角速度關(guān)系的驗證以及單擺周期與擺長關(guān)系的定量探究三個物理實驗，闡述了將智能手機(jī)引入物理實驗教學(xué)的優(yōu)越性：有助于打破實驗的空間限制，激發(fā)創(chuàng)新因子，促進(jìn)自主探究。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；Phyphox；傳感器；物理實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0070-3

近年來，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能手機(jī)逐漸成為了中學(xué)生交流的主要工具。除了滿足最基本的通訊功能，目前市場上絕大多數(shù)智能手機(jī)都集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，結(jié)合手機(jī)軟件可實現(xiàn)多種物理量的測量，能夠為教師開展物理實驗教學(xué)、揭示物理規(guī)律提供新的方法和途徑。

Phyphox是德國亞琛工業(yè)大學(xué)基于傳感器設(shè)計開發(fā)的物理實驗手機(jī)軟件，面世之后在多個國家和地區(qū)受到關(guān)注，不僅在2018年1月的AAPT（美國物理教師協(xié)會）冬季會議上獲得廣泛好評，也被臺灣國立清華大學(xué)等高校和物理競賽組織列為推薦使用的實驗測量工具。本文通過Phyphox在物理實驗中的具體案例，展示將智能手機(jī)傳感器與物理實驗有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化中學(xué)物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新方式。

1 Phyphox的功能和特性

Phyphox軟件通過調(diào)用手機(jī)的內(nèi)置傳感器，包括加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀（旋轉(zhuǎn)傳感器）、光傳感器、壓力傳感器、麥克風(fēng)以及GPS等，可根據(jù)手機(jī)的運動情況和周圍環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)測量。目前可實現(xiàn)29種內(nèi)置功能，例如測量加速度、角速度、光照強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、壓力和聲音的幅度和頻率等基本物理量，并且將這些數(shù)據(jù)以圖形或數(shù)字的形式呈現(xiàn)。除此之外，還有基于傳感器而開發(fā)的實用工具，如秒表（聲學(xué)秒表、運動秒表、光學(xué)秒表）、角度測量儀、音頻發(fā)生器等。除了直接使用實用工具和單獨的傳感器，Phyphox軟件還將傳感器進(jìn)行模塊化組合，方便使用者研究和分析轉(zhuǎn)動、滾動、彈性碰撞、彈簧振動、單擺、失重與超重等多種基本運動。

2 實驗案例分析

現(xiàn)介紹三個基于Phyphox操作的中學(xué)物理實驗，分別從測量性實驗、驗證性實驗和探究性實驗三種實驗類型來展現(xiàn)智能手機(jī)在補(bǔ)充現(xiàn)有實驗內(nèi)容、改變傳統(tǒng)實驗方式上的巨大潛能。

2.1 測量聲音在空氣中的傳播速度

在《聲音的傳播》這節(jié)內(nèi)容中，教材直接告訴學(xué)生聲音在空氣中的傳播速度是340 m/s，但并沒有給出可操作的測量方案。目前比較可行的測量方法是測量某一聲音的頻率，結(jié)合其波長來確定聲音的傳播速度[1]，雖然實驗結(jié)果較為精確但原理超出了初中生的知識水平。Phyphox中的Acoustic Stopwatch（聲學(xué)秒表）功能讓學(xué)生利用最原始的速度公式實現(xiàn)聲速的測量。

2.1.1 工作原理

打開Acoustic Stopwatch，當(dāng)手機(jī)接收到外界第一個聲音時便觸發(fā)計時器，開始計時，接收到第二個聲音時停止計時，因此Acoustic Stopwatch記錄了兩個聲音之間的時間間隔，計時可精確到1 ms。

2.1.2 實驗過程

2.1.3 實驗結(jié)果

為了保證擊掌聲音能夠觸發(fā)遠(yuǎn)處手機(jī)的計時器，本次實驗筆者選擇的距離d為5 m，手機(jī)1記錄的時間為t1，手機(jī)2記錄的時間為t2。

2.2 驗證向心加速度與角速度的關(guān)系

目前智能手機(jī)在物理實驗中的應(yīng)用已有一些案例，但大部分都是基于加速度傳感器的應(yīng)用[2-3]，陀螺儀傳感器得到的關(guān)注較少。此外，在講授《向心加速度》這節(jié)內(nèi)容時教師一般都通過理論推導(dǎo)來得出向心加速度的表達(dá)式ac=ω2r。實際上，我們可以利用Phyphox中的Centrifugal acceleration（離心/向心加速度）功能來驗證向心加速度與角速度的關(guān)系，以此作為對理論知識的一種補(bǔ)充。

2.2.1 工作原理

Centrifugal acceleration功能調(diào)用陀螺儀傳感器測量手機(jī)轉(zhuǎn)動時的角速度，調(diào)用加速度傳感器測量向心加速度，并分別繪制向心加速度ac與角速度ω以及角速度平方ω2的函數(shù)圖像。

2.2.2 實驗過程

筆者選擇將手機(jī)放在倒置的自行車車輪中間（利用腳踏板容易控制轉(zhuǎn)動速度），并用尼龍扎帶將手機(jī)固定（圖3）。打開Centrifugal acceleration，轉(zhuǎn)動腳踏板使手機(jī)隨著后輪緩慢均勻地加速，盡量嘗試不同的速度使生成的點跡分布均勻。

2.2.3 實驗結(jié)果

圖4是在手機(jī)轉(zhuǎn)動過程中生成的圖像，可以看出向心加速度與角速度呈現(xiàn)拋物線擬合的關(guān)系，與角速度的平方呈現(xiàn)正比的線性關(guān)系，有效地驗證了公式ac=ω2r。

2.2.4 實驗拓展

除了自行車車輪，很多生活中常見的器材和用具都可以用來驗證向心加速度與角速度的關(guān)系，例如小區(qū)健身場地的轉(zhuǎn)盤、家中的轉(zhuǎn)椅等，因此實驗具有極大的開放性。

2.3 探究單擺運動周期與擺長的定量關(guān)系

測量單擺周期的常規(guī)做法需要學(xué)生計量多次（30～50次）全振動的時間，存在操作耗時久、計數(shù)易受干擾、實驗誤差大等問題[4]。Phyphox中的pendulum（單擺）功能可以直接輸出單擺運動的周期，有助于學(xué)生在小角度傾角下進(jìn)行實驗。

2.3.1 工作原理

手機(jī)作為實驗中的擺錘，內(nèi)置傳感器將追蹤手機(jī)的運動，從而得出高精度的單擺周期。

2.3.2 實驗過程

將一支鉛筆固定在桌面上，且一端遠(yuǎn)離桌子邊緣。利用一個壓扁的衛(wèi)生紙卷為手機(jī)做一個插槽，并在紙卷四角穿孔，用細(xì)線將手機(jī)懸掛于鉛筆之下（圖5），這樣的做法保證了手機(jī)在運動過程中自身不會旋轉(zhuǎn)，而是做單擺運動。打開Pendulum，設(shè)置延遲開始的時間，并選擇手機(jī)記錄單擺運動的持續(xù)時間（本次實驗設(shè)為30 s）（圖6）。確定擺長l，讓單擺從擺角小于5°的初始位置開始運動。實驗重復(fù)5次，每次改變單擺的擺長，并讀取軟件頁面上的Period（周期T）。

2.3.3 實驗結(jié)果（如表2）

從表2可以看出周期T隨擺長l的增大而增大，為了進(jìn)一步探究擺長與周期的定量關(guān)系，筆者多次改變擺長l的指數(shù)并計算其與周期T的比例，得出T∝l1/2的關(guān)系。

3 智能手機(jī)的實驗教學(xué)優(yōu)勢

3.1 打破實驗的空間限制

特定的實驗測量儀器在日常生活中較難獲取，因此傳統(tǒng)的實驗教學(xué)通常在教室或?qū)嶒炇依镞M(jìn)行，而在戶外和家中實施的實驗往往局限于簡單的演示實驗，學(xué)生只能觀察實驗現(xiàn)象而沒有條件進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量和分析。智能手機(jī)容易獲取又輕巧便攜，相當(dāng)于讓每個學(xué)生都隨身攜帶了一個微型DIS實驗室。實驗室不再是實驗教學(xué)的固定場地，學(xué)生擁有更廣泛的空間自由，教師的實驗教學(xué)方式也可靈活多變。

3.2 激發(fā)創(chuàng)新因子

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提倡“使用身邊隨手可得的普通物品做實驗”[5]，然而傳統(tǒng)實驗器材較為單一，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造力。智能手機(jī)提供了必要的測量工具，學(xué)生可以根據(jù)研究的問題從多角度進(jìn)行實驗設(shè)計和問題解決。智能手機(jī)帶來了實驗的開放性，既激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，又充分挖掘了學(xué)生的創(chuàng)造潛能。

3.3 促進(jìn)自主探究

物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。有了智能手機(jī)的全方位支持，探究式學(xué)習(xí)模式能夠發(fā)揮出更大的自主性。學(xué)生不必為數(shù)據(jù)測量而煩惱，他們有更多的時間去發(fā)現(xiàn)那些范圍更廣、深度更深的問題，從而盡情地去猜想、實驗和分析。對于上述實驗，學(xué)生還可以去探究聲音的傳播速度在戶外和室內(nèi)測量的區(qū)別，也可以去探究單擺更多的影響因素，比如更大的初始角度或者是物體的形狀。這種發(fā)散式的實驗有助于學(xué)生改變機(jī)械的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)中的自主性和探究精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫阿明，劉靜.利用智能手機(jī)測量空氣中的聲速[J].物理教師，2016，37（4）：45-46.

[2]趙榮俊，劉應(yīng)開.用智能手機(jī)加速度傳感器分析彈簧振動現(xiàn)象[J].物理教師，2017，38（1）：54-58.

[3]胡琦珩，丁益民，馮一帆，等.利用智能手機(jī)驗證牛頓第二定律[J].物理教師，2017，38（10）：50-52.

[4]李海濤.利用DIS實驗研究單擺的運動[J].物理教學(xué)，2010，32（6）：26-27.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2001.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）