何 璐 祖米熱姆·伊馬木

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

方 偉

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234;上海市星系和宇宙學(xué)半解析研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200234)

phyphox基于智能手機(jī)所含有的傳感器創(chuàng)建了輔助物理實(shí)驗(yàn)的工具箱，它突破了傳統(tǒng)傳感器操作位置的局限，拓展了物理課外實(shí)驗(yàn)的范圍，且有成本低、方便實(shí)用的優(yōu)點(diǎn).phyphox軟件已逐漸融入物理教學(xué)，為物理教學(xué)提供了新穎的測(cè)量工具.

phyphox是由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)在2016年發(fā)行的一款手機(jī)應(yīng)用軟件，安卓設(shè)備和IOS設(shè)備均可下載，phyphox全稱“physical phone experiments”，包含：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、聲音傳感器,最新設(shè)備還有溫度、濕度傳感器.目前可實(shí)現(xiàn)29種內(nèi)置功能，如加速度、角速度、光照強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、壓力和聲音的振幅、頻率、周期等基本物理量的測(cè)量[1].除phyphox外，還有其他類似的物理實(shí)驗(yàn)工具箱，例如Physics Toolbox Suite Pro,AndroSensor,Sparkvue等[2～4]，這些應(yīng)用均提供了免費(fèi)的數(shù)據(jù)分析工具.本文擬就phyphox的功能、前景及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹.

1 phyphox功能

phyphox不僅包含單獨(dú)傳感器還有基于傳感器而開發(fā)的實(shí)用工具，如秒表(聲學(xué)秒表，運(yùn)動(dòng)秒表、光學(xué)秒表)、角度測(cè)量?jī)x、音頻發(fā)生器等.phyphox軟件還對(duì)傳感器進(jìn)行了模塊整理，如轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)、單擺、彈性碰撞、彈簧振動(dòng)等多種基本運(yùn)動(dòng)，另外phyphox軟件還設(shè)置了生活小實(shí)驗(yàn)，方便學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理的奧秘.例如，電梯實(shí)驗(yàn)[5].phyphox不僅能通過(guò)圖形或數(shù)字的方式呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，還可以配合自制教具定性測(cè)量有關(guān)物理量，應(yīng)用程序還提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，這允許計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制phyphox軟件，無(wú)需操作用于做實(shí)驗(yàn)的智能手機(jī).

phyphox應(yīng)用程序的另一大優(yōu)勢(shì)是可創(chuàng)建自己的“ 實(shí)驗(yàn)室”.自行編寫整個(gè)實(shí)驗(yàn)，這為教師創(chuàng)建全新更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)提供了契機(jī).教師可對(duì)不同知識(shí)水平的學(xué)生制定不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)；同時(shí)這也是更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)的好方法，例如臨界值和最小延遲.該應(yīng)用程序的wiki網(wǎng)頁(yè)能幫助新手用戶快速了解phyphox軟件的具體內(nèi)容，官方網(wǎng)站為https://phyphox.org/[6].

2 phyphox內(nèi)容簡(jiǎn)介

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器是通過(guò)手機(jī)的坐標(biāo)系分別在x,y,z軸的位移變化來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度.phyphox中的加速度傳感器還能獲得傳統(tǒng)方法不能獲得的諸如x,y,z方向運(yùn)動(dòng)情況的信息，手機(jī)在振動(dòng)過(guò)程中有可能出現(xiàn)不同方向的微小振動(dòng)，因此加速度傳感器清晰記錄所有方向的數(shù)據(jù)有助于學(xué)生研究主要方向上的加速度.

例如教師和學(xué)生利用加速度傳感器探究關(guān)于彈簧振子的實(shí)驗(yàn)[7]：取一根彈簧，其上端用一細(xì)線固定于支架上，下端與智能手機(jī)連接，因此形成一個(gè)豎直方向上的彈簧振子.打開手機(jī)phyphox中的Acceleration(without g), 這里需注意，它在靜止時(shí)顯示加速度為零.加速度傳感器還可測(cè)量重力加速度，在phyphox中，Spring(彈簧)利用彈簧測(cè)量重力加速度[8]，也可探究彈簧阻尼問(wèn)題，Spring相比單獨(dú)加速度傳感器還可測(cè)量出彈簧振子的頻率.

2.2 壓強(qiáng)傳感器

智能手機(jī)壓強(qiáng)傳感器可測(cè)量電梯速度和高度，學(xué)生也可以探究電梯中失重和超重的壓力與合加速度物理規(guī)律,同時(shí)也能測(cè)量飛行無(wú)人機(jī)的垂直速度[5].學(xué)生根據(jù)智能手機(jī)感應(yīng)的氣壓值推導(dǎo)出高度從而得到加速度和速度值.除了壓強(qiáng)之外，加速度計(jì)記錄加速度值進(jìn)行數(shù)值積分，也可獲得垂直速度和高度.但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用加速度傳感器獲得加速度與實(shí)際參考值還是有非常大的差異.首先因?yàn)閿?shù)值積分累積誤差，其次是重力加速度導(dǎo)致高度計(jì)算明顯存在不確定性.通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，壓強(qiáng)傳感器比加速度傳感器更加精確，同時(shí)壓強(qiáng)傳感器也優(yōu)于GPS，因?yàn)檫@種傳感器在室內(nèi)不接收衛(wèi)星信號(hào).壓強(qiáng)傳感器不僅在力學(xué)、流體力學(xué)有所應(yīng)用，一定條件下，還可以作為氣壓計(jì)測(cè)量熱力學(xué)中的物理量.

2.3 旋轉(zhuǎn)傳感器

智能手機(jī)phyphox軟件中的Gyroscope(陀螺儀)，Centripetal acceleration(向心加速度)，Roll(滾動(dòng))都具有旋轉(zhuǎn)傳感器.在傳統(tǒng)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)上總是很難測(cè)量角速度、向心加速度，但phyphox可以測(cè)量x,y,z軸的角速度和絕對(duì)角速度.Centripetal acceleration(向心加速度)可直接測(cè)量出角速度和角加速度之間的數(shù)量關(guān)系：a=ω2r.學(xué)生利用小區(qū)公園的轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)椅或游樂(lè)園的娛樂(lè)設(shè)施等環(huán)境可驗(yàn)證向心力[9]，雖然存在各種系統(tǒng)誤差，但phyphox在學(xué)生課外實(shí)踐中的定性使用無(wú)疑加深了學(xué)生對(duì)抽象概念的理解.

2.4 聲音傳感器

phyphox程序中聲音傳感器可以測(cè)量音頻的振幅、單音的頻率、音頻信號(hào)的頻譜、聲納和多普勒效應(yīng)，還有單獨(dú)的音頻發(fā)生器.聲學(xué)秒表可測(cè)量彈性碰撞的損失、自由落體的時(shí)間和高度等.初中生可利用兩部智能手機(jī)測(cè)量聲速，兩部手機(jī)的作用是音頻發(fā)射器和接收器[10].“多普勒效應(yīng)”的測(cè)量是由于多普勒效應(yīng)引起的信號(hào)發(fā)生器到手機(jī)感應(yīng)器頻率的變化和相對(duì)速度[11].

2.5 磁場(chǎng)傳感器

智能手機(jī)有磁場(chǎng)傳感器，應(yīng)用程序phyphox中有3個(gè)測(cè)量與磁場(chǎng)相關(guān)物理量的程序，分別是Magnetometer(磁力計(jì))、Magnetic Spectrum(磁場(chǎng)頻譜)、Magnetic ruler(磁性尺).磁力計(jì)非常靈敏，手機(jī)開發(fā)者正是利用磁力計(jì)做指南針.但磁力計(jì)很容易受手機(jī)磁化的影響，因此phyphox軟件會(huì)不斷重新校準(zhǔn)磁場(chǎng)傳感器來(lái)消除影響.磁性頻譜顯示磁力計(jì)數(shù)據(jù)中頻譜和頻率的峰值，如果提供波譜的樣本數(shù)量較高，分辨率就高，頻率會(huì)更精準(zhǔn).頻率最大值實(shí)際是由傳感器的采集速率決定，因此頻譜很大程度上取決于智能手機(jī)本身.

磁性尺不是單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，而是一種工具，主要測(cè)量位移和速度.首先需要設(shè)置一條路徑，在固定的間隔放置幾個(gè)磁鐵，并測(cè)量出磁鐵之間的距離，在做實(shí)驗(yàn)之前輸入到程序中，phyphox通過(guò)磁力計(jì)測(cè)量出智能手機(jī)通過(guò)磁鐵的頻率，通過(guò)計(jì)算可得到間隔的位移和平均速度.學(xué)生可以利用這個(gè)工具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，例如測(cè)量玩具火車速度[12].

2.6 光傳感器

phyphox應(yīng)用軟件中的光傳感器是從手機(jī)的環(huán)境光獲取原始數(shù)據(jù)，但是在一些設(shè)備中，光傳感器并不是非常靈敏，教師和學(xué)生可用光傳感器驗(yàn)證朗伯比爾定律——分光光度法的基本定律[13]，是描述物質(zhì)對(duì)某一波長(zhǎng)光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)的濃度和其液層厚度間的關(guān)系.但是phyphox只能測(cè)量光照強(qiáng)度，需要學(xué)生導(dǎo)出光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)到Excel中，然后輸入液體濃度數(shù)值得出關(guān)系圖.學(xué)生還可以測(cè)量不同物體光透射率，被透射的物體可以是透明體和半透明體，通常用透過(guò)后的光通量與入射光通量的比表示為光透射率.

phyphox應(yīng)用包含的傳感器原理及實(shí)驗(yàn)如表1所示.

表1 phyphox應(yīng)用原理及實(shí)驗(yàn)

3 phyphox應(yīng)用舉例及其前景展望

此節(jié)我們給出一個(gè)phyphox軟件的直接應(yīng)用和具體教學(xué)案例，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)phyphox軟件在物理教學(xué)中的前景進(jìn)行展望.

3.1 教學(xué)案例：用手機(jī)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)器材：一根不可伸長(zhǎng)的輕繩、支撐手機(jī)的紙盒、一部智能手機(jī)、另一臺(tái)遠(yuǎn)程操控的電腦或手機(jī).

圖1 phyphox單擺實(shí)驗(yàn)操作

(2)實(shí)驗(yàn)操作：為了讓手機(jī)在擺動(dòng)過(guò)程中自身不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，用紙盒固定手機(jī)并在四角系上繩子，如圖1所示，用卷尺測(cè)量支點(diǎn)到手機(jī)質(zhì)心的距離，將此值作為擺長(zhǎng)輸入到手機(jī)中，手機(jī)懸掛時(shí)phyphox也能間接測(cè)量擺長(zhǎng)，作為參考.打開phyphox中Pendulum(單擺)，點(diǎn)擊允許遠(yuǎn)程訪問(wèn)，下方出現(xiàn)訪問(wèn)網(wǎng)址，在另一部手機(jī)或電腦輸入網(wǎng)址，在Timed Run設(shè)置初始延遲3 s，持續(xù)時(shí)間10 s.點(diǎn)擊開始，讓手機(jī)小幅度的擺動(dòng)，注意不要讓手機(jī)掉落或者碰撞到其他的物體上.最后保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(3)分析：phyphox會(huì)在實(shí)驗(yàn)期間記錄手機(jī)的角速度.圖像近似正弦函數(shù)，在擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)處有極大值(最大絕對(duì)角速度)，第一極大值到第二極大值計(jì)算作為一個(gè)周期，其倒數(shù)作為振動(dòng)頻率.控制擺動(dòng)較小的角度，由周期方程計(jì)算得到重力加速度.

phyphox單擺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖如圖2所示.

圖2 phyphox單擺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 phyphox在物理教學(xué)中的前景展望

(1)使得教學(xué)空間更加廣闊

智能手機(jī)用在學(xué)生學(xué)習(xí)上的時(shí)間少之又少，但物理工具箱的應(yīng)用可以讓智能手機(jī)成為學(xué)生學(xué)習(xí)的伙伴.學(xué)生可在家中娛樂(lè)時(shí)設(shè)計(jì)并進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，這不僅能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新細(xì)胞，增加學(xué)生的物理學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，也能提升學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的自我效能感.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)環(huán)境不局限于學(xué)校的DIS實(shí)驗(yàn)，教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式也可以發(fā)揮更多的創(chuàng)新空間，教師可以讓學(xué)生在課余時(shí)間設(shè)計(jì)并完成許多小實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解，也能讓學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)更加敏感，這能提升學(xué)生獲取信息的能力，教師可以在實(shí)驗(yàn)課堂中增加討論分析實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，給物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供催化劑.

(2)使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更加便捷

在用phyphox做實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的形式實(shí)時(shí)顯示，清晰明了，可根據(jù)需要遠(yuǎn)程傳輸在電腦上顯示或保存實(shí)驗(yàn)頁(yè)面，有利于不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理過(guò)程減少了數(shù)學(xué)對(duì)學(xué)生的干擾，可讓學(xué)生關(guān)注物理本身.學(xué)生可以大膽地進(jìn)行猜想實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理的理解.

(3)使得教學(xué)創(chuàng)新更加凸顯

智能手機(jī)phyphox App給學(xué)生和教師提供了更大的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以由用戶創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).學(xué)生和教師可用一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從研究問(wèn)題的多角度進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這能充分挖掘?qū)W生和教師的創(chuàng)新潛能.比如聲音傳感器不僅可以測(cè)量有關(guān)聲音的變量，還可以轉(zhuǎn)換的方法間接測(cè)量運(yùn)動(dòng)物理量，phyphox中Acoustic Stopwatch(聲音秒表)利用落球與地面發(fā)生的幾次碰撞的聲音測(cè)出球每次的時(shí)間差和損失率，再由此計(jì)算出球的高度，可分析彈性碰撞的勢(shì)能變化、機(jī)械能的損耗值等.這樣的數(shù)據(jù)信息可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和探究能力.

4 總結(jié)

本文對(duì)phyphox進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)其在物理教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析.在學(xué)科核心素養(yǎng)的導(dǎo)向下，“以學(xué)為中心”的物理探究實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，形成正確的物理觀念，習(xí)得科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)思維并感受崇高的科學(xué)精神.翻轉(zhuǎn)課堂、STEM教育、微課、慕課等現(xiàn)代教育模式體現(xiàn)了以學(xué)為中心的理念，也為物理探究實(shí)驗(yàn)的新模式提供了空間，phyphox等實(shí)驗(yàn)工具箱App的開發(fā)更為課外探究實(shí)驗(yàn)、研究型學(xué)習(xí)提供了有效手段，它的應(yīng)用前景十分廣泛.除此之外，phyphox新版本不僅引入了新功能并對(duì)其中程序進(jìn)行修復(fù)(如增添了交互式圖形、條形圖、用于光譜實(shí)驗(yàn)的彩色圖等)，并且還增加了中文的翻譯版本，具體見(jiàn)https://phyphox.org/news/phyphox-chinese/.另外，教師也需了解phyphox此類軟件的弊端和不足.首先是在實(shí)驗(yàn)開始前，需用phyphox測(cè)量周圍環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，手機(jī)本身的性能也對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成誤差，因此phyphox只能做半定量或比較粗糙的定量測(cè)量；其次phyphox此類軟件只為教學(xué)做輔助作用，教師需依據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)進(jìn)行合理利用.