基于手機(jī)傳感器的物理實(shí)驗(yàn)

付靜 丁彥龍 袁世明 曹怡 姜俊江

摘? ?要：隨著智能手機(jī)的普及，智能手機(jī)傳感器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。文章用智能手機(jī)加速度傳感器測物體做自由落體運(yùn)動的加速度。傳統(tǒng)頻閃照片實(shí)驗(yàn)在高中實(shí)際教學(xué)過程中可操作性不強(qiáng)，學(xué)生參與度低。而手機(jī)加速度傳感器可以小組合作實(shí)驗(yàn)的形式讓學(xué)生初步了解手機(jī)傳感器的功能，并在實(shí)驗(yàn)過程中感受自由落體運(yùn)動的特點(diǎn)，操作強(qiáng)，更直觀，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)對高中物理教學(xué)的基本要求。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī);加速度傳感器;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0043-2

1? ? 引? 言

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)探究是高中物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，高中物理中很多概念的建立、規(guī)律的探索與應(yīng)用都與實(shí)驗(yàn)探究密不可分[1]。

隨著智能手機(jī)和移動互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)傳感器、手機(jī)APP作為新興技術(shù)，開拓了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路。一些難以測量、不便觀察、效果不明顯的難題得到了很好的解決，同時提升了課堂教學(xué)中學(xué)生的體驗(yàn)感和創(chuàng)新意識[2]。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》增加了“用手機(jī)傳感器測自由落體加速度”的活動。目的是讓學(xué)生從手機(jī)加速度傳感器測出的曲線直觀地認(rèn)識自由落體運(yùn)動，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和學(xué)生的團(tuán)隊(duì)活動精神。本文重點(diǎn)介紹手機(jī)加速度傳感器的使用方法和小組實(shí)驗(yàn)探究過程，為教師的實(shí)際教學(xué)過程提供參考。

2? ? 智能手機(jī)傳感器

智能手機(jī)有多種傳感器，可以檢測加速度、光、聲、磁場、力等各類非電信號，對周圍環(huán)境的力、熱、聲、電、磁等物理量進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的測量，并轉(zhuǎn)化成電信號，供實(shí)驗(yàn)者分析[3]。實(shí)驗(yàn)借助加速度傳感器軟件（Accelerometer），它可以探測三個方向（x，y，z）的加速度隨時間的變化關(guān)系，軟件工作界面如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)置f=10 Hz，本實(shí)驗(yàn)加速度的方向沿z方向（圖2）。

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圖1 加速度傳感器軟件工作界面? ? 圖2手機(jī)傳感器x，y，z定位方式

3? ? 利用手機(jī)加速度傳感器開展實(shí)驗(yàn)探究

通過演示輕重不同的物體下落快慢一致，得出自由落體運(yùn)動的基本概念，當(dāng)排除空氣阻力的影響時，物體的自由落體運(yùn)動與質(zhì)量無關(guān)。

提出問題：自由落體運(yùn)動具有怎樣的規(guī)律？

學(xué)生猜想：自由落體運(yùn)動可能是勻變速直線運(yùn)動。

設(shè)計實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

打開加速度傳感器（Accelerometer），界面如圖1所示，將Refresh rate調(diào)節(jié)到10 Hz，再點(diǎn)擊Settings，將Remove? Gravity開啟。

將手機(jī)沿圖2中的z軸釋放，點(diǎn)擊Start measuring記錄開關(guān)，手掌迅速向下運(yùn)動，讓手機(jī)脫離手掌而自由下落。平穩(wěn)地將手機(jī)從兩米高處由靜止釋放，用手接住手機(jī)。為了防止手機(jī)不慎落地而被摔壞，可以在手機(jī)正下方放置海綿。點(diǎn)擊Start measuring，觀察手機(jī)屏幕上加速度傳感器的圖像。從圖3（a）可以看出，0.25 s～0.28 s之間，加速度a保持不變，說明自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動，加速度基本接近于1g。0.28 s以后的圖像說明手機(jī)和海綿接觸先做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動，再做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動。在圖像上直接反映了加速度的變化過程。

將手機(jī)沿圖2中的y軸釋放，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，得到的圖像如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出，0.46 s～0.48 s之間，加速度a保持不變，說明自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動，加速度基本接近于1g。0.48 s以后的圖像說明手機(jī)和海綿接觸先做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動，再做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動。在圖像上直接反映了加速度的變化過程。

將手機(jī)沿圖2中的x軸釋放，重復(fù)上述過程得到的圖像如圖3（c）所示。從圖3（c）可以看出，0.40 s～0.43 s之間，加速度a保持不變，說明自由落體運(yùn)動是勻加速直線運(yùn)動，加速度基本接近于1g。0.43 s以后的圖像說明手機(jī)和海綿接觸先做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動，再做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動。在圖像上直接反映了加速度的變化過程。

將以上三個實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，如表1所示。通過表1可以看出，沿不同方向測出的加速度值都接近9.8 m/s2。

表1? 沿不同方向的加速度值

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4? ? 結(jié)束語

用手機(jī)傳感器測加速度的實(shí)驗(yàn)，沿不同方向做實(shí)驗(yàn)，得出的加速度更具有說服力。得到的圖像清晰，數(shù)據(jù)的采集與處理過程鍛煉了學(xué)生分析問題、提取數(shù)據(jù)的能力。除了智能手機(jī)傳感器，還有很多應(yīng)用APP，如根據(jù)拍攝物體運(yùn)動視頻，分析物體位置、速度、加速度的軟件Video Physics，智能手機(jī)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，手機(jī)制作微課的APP“微課寶”、Course maker等。隨著5G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，智能手機(jī)在教學(xué)中的應(yīng)用將會更加廣泛，以智能手機(jī)為代表的移動終端將會引領(lǐng)教育教學(xué)的發(fā)展潮流。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁彥龍，馬廣平，付靜，曹怡. 基于手機(jī)加速度傳感器的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 中學(xué)物理， 2019，37（9）：30-32.

[2]劉玲. 如何使用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和APP開發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)[J]. 物理教學(xué)， 2018，40（9）：29-30.

[3]江敏麗，吳先球.用智能手機(jī)探究電梯中的超重與失重現(xiàn)象[J]. 物理通報，2016（12）：108-110.

（欄目編輯? ? 王柏廬）