張懷華
Phyphox是一款搭載在智能手機(jī)平臺(tái)上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究App[1][2]。Phyphox對(duì)智能手機(jī)中的各種傳感器進(jìn)行了整合優(yōu)化,使智能手機(jī)變成一座功能強(qiáng)大的便攜式科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室。Phyphox為使用者提供了數(shù)目眾多的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)樣例,使用者使用這些實(shí)驗(yàn)樣例就能開(kāi)展豐富多彩的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)[3-7]。此外,Phyphox還支持使用者自行編寫個(gè)性化的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)方案。物理教師以智能手機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以Phyphox為實(shí)驗(yàn)程序,以液晶屏為偏振光來(lái)源,用偏振片與智能手機(jī)光傳感器組成偏振光檢偏器,利用智能手機(jī)中的重力加速度計(jì)檢測(cè)偏振光檢偏器的方位角變化,利用光傳感器檢測(cè)偏振光透過(guò)檢偏器后的光強(qiáng)變化,繪制透射光強(qiáng)與方位角的關(guān)系曲線,測(cè)定相鄰兩次消光對(duì)應(yīng)的角度差,可以高效演示偏振光的消光現(xiàn)象。為驗(yàn)證這一設(shè)想,新冠肺炎疫情防控期間,筆者在講授“光的偏振”時(shí)[8],利用Phyphox編寫實(shí)驗(yàn)程序,在線指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn),取得了良好的教學(xué)效果。下面,介紹具體實(shí)驗(yàn)方法。
一、智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序的個(gè)性化編寫
筆者登錄Phyphox手機(jī)實(shí)驗(yàn)編輯平臺(tái),首先調(diào)取重力加速度傳感器(Acceleration with g),利用重力加速度傳感器在x、y方向上輸出的加速度分量ax和ay測(cè)量智能手機(jī)所處的方位角;然后調(diào)取光傳感器(Light),利用光傳感器測(cè)量液晶屏發(fā)出的光透過(guò)檢偏器后的光強(qiáng);最后以智能手機(jī)方位角為橫坐標(biāo)、以透射光強(qiáng)為縱坐標(biāo)繪制動(dòng)態(tài)的透射光強(qiáng)—方位角關(guān)系圖像。該智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序的可視化流程如圖1所示。
其中,智能手機(jī)方位角是基于重力加速度計(jì)輸出的加速度分量值ax和ay計(jì)算的,計(jì)算公式(Formula)為:
tan2([1_],[2_])*57.2958*(sign([1_])+1)/2+(360+atan2([1_],[2_])*57.2958)*(sign([1_]*(-1))+1)/2
二、手機(jī)實(shí)驗(yàn)程序的加載
實(shí)驗(yàn)程序編寫完成后,筆者在編輯平臺(tái)上將該實(shí)驗(yàn)程序命名為“光的偏振性研究”,選擇“生成二維碼”。筆者在智能手機(jī)中運(yùn)行Phyphox程序,單擊Phyphox程序頁(yè)面右下角的“+”,選擇“從二維碼添加實(shí)驗(yàn)”,然后掃描二維碼,將這個(gè)實(shí)驗(yàn)程序加載到Phyphox的實(shí)驗(yàn)樣例當(dāng)中。
如對(duì)Phyphox實(shí)驗(yàn)程序編寫不熟悉,使用者可以按照上述方式掃描二維碼,也可以將定制的“光的偏振性研究”實(shí)驗(yàn)程序加載到Phyphox的實(shí)驗(yàn)樣例當(dāng)中。
線上教學(xué)期間,筆者就是利用網(wǎng)絡(luò)將實(shí)驗(yàn)二維碼分發(fā)給學(xué)生,讓學(xué)生自行加載并居家開(kāi)展探究活動(dòng)的。
三、智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)的操作
筆者在筆記本電腦或智慧黑板中打開(kāi)一個(gè)空白文檔,讓液晶屏呈現(xiàn)出均勻的白色。筆者將偏振片(可以用立體眼鏡的鏡片代替)貼在液晶屏上緩慢旋轉(zhuǎn),讓學(xué)生看到隨著偏振片的緩慢旋轉(zhuǎn),偏振片上發(fā)生了明暗交替的消光現(xiàn)象。這證明,液晶屏發(fā)出的白光是偏振光[9][10]。
為了探究偏振光透過(guò)偏振片后的光強(qiáng)與偏振片旋轉(zhuǎn)角度的定量關(guān)系(如圖2),筆者用透明膠帶將偏振片固定在智能手機(jī)上,制成檢偏器。注意:制作檢偏器時(shí),應(yīng)確保偏振片覆蓋智能手機(jī)上的光傳感器。
筆者在Phyphox中打開(kāi)名為“光的偏振性研究”的實(shí)驗(yàn)程序,設(shè)置定時(shí)運(yùn)行:?jiǎn)?dòng)延遲10秒,實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)120秒。隨后,筆者啟動(dòng)實(shí)驗(yàn),將智能手機(jī)的正面正對(duì)屏幕,貼在屏幕上,待10秒延遲結(jié)束后,緩慢地將智能手機(jī)旋轉(zhuǎn)360°。手機(jī)屏幕呈現(xiàn)如圖3所示的偏振光的消光曲線。
在課堂教學(xué)中,教師可以利用成熟的投屏技術(shù)建立智能手機(jī)與大屏幕之間的投屏連接,將智能手機(jī)屏幕上顯示的信息同步到大屏幕上。師生可以通過(guò)大屏幕實(shí)時(shí)監(jiān)視智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程,親眼見(jiàn)證實(shí)驗(yàn)倒計(jì)時(shí)讀秒、手機(jī)方位角動(dòng)態(tài)讀取、透射光強(qiáng)動(dòng)態(tài)讀取和繪制透射光強(qiáng)與檢偏器方位角函數(shù)關(guān)系圖像的全過(guò)程。
四、智能手機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析
學(xué)生觀察偏振光的消光曲線后發(fā)現(xiàn),在智能手機(jī)緊貼屏幕緩慢旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中,智能手機(jī)上的光傳感器感知到偏振光透過(guò)檢偏器之后的強(qiáng)弱變化。
筆者將此次實(shí)驗(yàn)中得到的透射光強(qiáng)與手機(jī)方位角函數(shù)關(guān)系圖像擴(kuò)展至全屏,找到手機(jī)屏幕下方的“選取數(shù)據(jù)”按鈕,點(diǎn)擊偏振光消光曲線上的最低點(diǎn)(兩次)。Phyphox自動(dòng)顯示如圖4和圖5所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)值。
學(xué)生觀察Phyphox繪制的透射光強(qiáng)與檢偏器方位角的函數(shù)關(guān)系圖像發(fā)現(xiàn),在智能手機(jī)和偏振片緊貼液晶屏同步旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中,出現(xiàn)了兩次消光現(xiàn)象,偏振光第一次消光對(duì)應(yīng)角度為85.97°,第二次消光出現(xiàn)在267.16°,兩次消光間隔181.19°。
在誤差允許的范圍內(nèi),筆者引導(dǎo)學(xué)生得出以下結(jié)論:檢偏器在旋轉(zhuǎn)360°的過(guò)程中,偏振光先后出現(xiàn)兩次消光現(xiàn)象所間隔的角度為180°。此次實(shí)驗(yàn)精確度非常高,相對(duì)誤差僅為0.66%。
需要說(shuō)明的是,在透射光強(qiáng)與手機(jī)方位角函數(shù)關(guān)系圖像消光位置的兩側(cè)有兩個(gè)微小的尖峰,這可能是由覆蓋在智能手機(jī)光傳感器上的手機(jī)屏幕和手機(jī)貼膜導(dǎo)致的。
利用智能手機(jī)中的Phyphox程序探究偏振光的消光現(xiàn)象,在便捷度、精確度、可見(jiàn)度和參與度等幾個(gè)方面都遠(yuǎn)優(yōu)于高中物理實(shí)驗(yàn)室標(biāo)配的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備(如圖6)。
課程改革注重培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。智能手機(jī)的普及應(yīng)用打破了實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制,讓科學(xué)探究活動(dòng)隨時(shí)隨地自由開(kāi)展,也讓學(xué)生參與科學(xué)探究活動(dòng)的體驗(yàn)更真切、更深刻。教師科學(xué)利用Phyphox強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)輸出功能,降低數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析的技術(shù)門檻,可以將學(xué)生從煩瑣的設(shè)備組裝、儀器調(diào)試、數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)錄入、描點(diǎn)連線和方程擬合中解放出來(lái),讓學(xué)生有充分的時(shí)間、精力專注于對(duì)科學(xué)探究活動(dòng)本質(zhì)的思考。
注:本文系2021年河南省基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“Phyphox在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中應(yīng)用研究”(編號(hào):JCJYC2106zy073)的階段性研究成果。
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(作者系河南省焦作市第十一中學(xué)正高級(jí)教師)