利用智能手機(jī)探究體育運(yùn)動(dòng)中的物理規(guī)律

謝丹荔　韓鵬

【摘 要】生活中科學(xué)無(wú)處不在，我們時(shí)?？梢越佑|到許多要用科學(xué)知識(shí)來解釋的問題，善于發(fā)現(xiàn)這些問題，善于使用所學(xué)的知識(shí)去設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)并解決問題，是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)興趣，鞏固科學(xué)知識(shí)，鍛煉動(dòng)手能力創(chuàng)新能力的重要途徑，以田徑運(yùn)動(dòng)中的擲鉛球?yàn)槔?，運(yùn)用了手機(jī)傳感器來收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行探究投擲旋轉(zhuǎn)角與投擲距離的關(guān)系，比起傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法更具科學(xué)性，比起運(yùn)動(dòng)團(tuán)隊(duì)采用的高端儀器也更節(jié)約成本，并且這種分析手段比起復(fù)雜的模擬仿真更簡(jiǎn)潔明了，普通運(yùn)動(dòng)員也可以自己上手，因此運(yùn)用這種方法找到兩者的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)投擲距離與旋轉(zhuǎn)角呈負(fù)相關(guān)。

【關(guān)鍵詞】物理實(shí)驗(yàn);科學(xué)素養(yǎng);手機(jī)傳感器;鉛球;旋轉(zhuǎn)角

中圖分類號(hào)： G 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0109-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.051

0 引言

生活中各種現(xiàn)象的規(guī)律都可以通過觀察實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。生活中的各種對(duì)象和現(xiàn)象都是處在復(fù)雜的聯(lián)系之中，內(nèi)里蘊(yùn)含著各種因素，許多特性或者是被掩蓋了起來，或者受到其他因素的干擾，這種情況給我們尋找真理和規(guī)律帶來困難，而在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，人們則可以利用各種實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行變革和控制，使其擺脫各種偶然因素的干擾，這樣就能找到真相和規(guī)律[1]。而科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是指有著一定的目的，運(yùn)用儀器等手段，在人工調(diào)控下來進(jìn)行觀察?？梢垣@得真理以及檢驗(yàn)我們的假說[2]。

而隨著時(shí)代發(fā)展，實(shí)驗(yàn)的手段也日新月異，本文的實(shí)驗(yàn)儀器就運(yùn)用到時(shí)下熱門的手機(jī)傳感器。手機(jī)傳感器是手機(jī)上通過芯片來感應(yīng)的元器件。隨著手機(jī)傳感器的使用越發(fā)廣泛，并且由于它高效便捷的優(yōu)點(diǎn)，許多都利用手機(jī)傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄[3]。尤其是對(duì)日常身體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，包括每日步數(shù)，心跳血壓，受到人們的喜愛，將手機(jī)傳感器與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，也是實(shí)驗(yàn)課堂的創(chuàng)新手段的一種[4]。

擲鉛球是一項(xiàng)十分講究技巧的田徑運(yùn)動(dòng)，在本文實(shí)驗(yàn)者的訓(xùn)練過程中，發(fā)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)的一些規(guī)律，以手機(jī)傳感器為實(shí)驗(yàn)儀器來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究擲鉛球時(shí)旋轉(zhuǎn)角與投擲距離的關(guān)系[5]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

田徑場(chǎng)中鉛球的投擲區(qū)是一個(gè)扇形，如圖1所示。

俯瞰圖如下，這是一個(gè)圓心角為四十度的扇形，按理說，如果是扇形則旋轉(zhuǎn)角的大小不會(huì)影響到投擲距離，但是實(shí)際情況則不然。

設(shè)紅點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)者的投擲起點(diǎn)，扇形AB就是在不出界情況下能投擲的范圍，由鉛球預(yù)熱動(dòng)作可知，選手往往是在圓心附近起勢(shì)，靠近圓邊緣則球離手，所以可以推測(cè)若投擲起點(diǎn)在紅點(diǎn)處，則此時(shí)身體是由圓心指向A方向的，可以看到，同樣的投擲力度（水平方向初速度），落下的位置不同，成績(jī)也不一樣，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角越?。ㄔ娇拷麬邊）則距離越遠(yuǎn)，反之越近，這就是為什么旋轉(zhuǎn)角對(duì)成績(jī)有所影響。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

我們用到的實(shí)驗(yàn)器材包括一部蘋果6s系統(tǒng)的智能手機(jī)（已下載好phyphox軟件），一顆4公斤，直徑10cm的鉛球，卷尺;本文涉及的所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都將由三名實(shí)驗(yàn)者共同完成;本文選擇的田徑運(yùn)動(dòng)是擲鉛球，統(tǒng)一讓實(shí)驗(yàn)者選擇上步側(cè)向推，并記錄他們的投擲角，即偏轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)角是指實(shí)驗(yàn)者身體方向和鉛球運(yùn)動(dòng)軌跡之間的夾角，如圖1。由于投擲時(shí)由于每個(gè)人的習(xí)慣不同，要獲得充足的數(shù)據(jù)就要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)者分別記錄40次到60次，然后選取不少于15組數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上處理，并進(jìn)行比對(duì)，找出規(guī)律。

圖中黑色線條為擲鉛球場(chǎng)地，紅點(diǎn)O為球離手的投擲點(diǎn)，AOB在一條直線上，且AB為投擲者的身體方向，OC為球?qū)嶋H的運(yùn)動(dòng)軌跡，角BOC則為旋轉(zhuǎn)角。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)角與投擲距離的定性關(guān)系

通過智能手機(jī)傳感器記錄下實(shí)驗(yàn)者多次投擲鉛球的旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，導(dǎo)入電腦中進(jìn)行處理分析。探究投擲旋轉(zhuǎn)角對(duì)投擲距離是否有影響。

首先是實(shí)驗(yàn)者一（身高163cm，體重50kg，平均成績(jī)7.64m，最高成績(jī)?yōu)?.56m）

比較實(shí)驗(yàn)者一的十五組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表一為實(shí)驗(yàn)者一的旋轉(zhuǎn)角與投擲距離的數(shù)據(jù)。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作圖得到。

通過作圖發(fā)現(xiàn)鉛球的投擲旋轉(zhuǎn)角對(duì)投擲距離存在顯著影響，投擲旋轉(zhuǎn)角越大投擲距離則越短，并且實(shí)驗(yàn)者一的數(shù)據(jù)作圖得到趨勢(shì)線：y=-0.0412x+10.035，近似說明兩者呈負(fù)相關(guān)。

同理，實(shí)驗(yàn)者二和實(shí)驗(yàn)者三都得到類似的結(jié)果。

對(duì)實(shí)驗(yàn)者二（身高175cm，體重77kg，平均成績(jī)9.12m）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

數(shù)據(jù)處理可得圖5。

對(duì)實(shí)驗(yàn)者二的數(shù)據(jù)作圖也得到一條近似的反比例趨勢(shì)線y=-0.0445x+11.946，而且通過比較實(shí)驗(yàn)者一和二可以看出，無(wú)論男女運(yùn)動(dòng)員，都可以得到類似的結(jié)果，也能證明投擲距離與旋轉(zhuǎn)角呈負(fù)相關(guān)。

以及實(shí)驗(yàn)者三（身高159cm，體重45kg，平均成績(jī)4.92m）

圖6

由于實(shí)驗(yàn)者三是三位實(shí)驗(yàn)者中唯一一位業(yè)余選手，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，但總體趨勢(shì)依舊能看出旋轉(zhuǎn)角對(duì)投擲距離有影響，并作出趨勢(shì)線y=-0.0232x+6.5853，證明兩者呈負(fù)相關(guān)。

由上三個(gè)實(shí)驗(yàn)者的十五組實(shí)驗(yàn)比較結(jié)果，可以看出旋轉(zhuǎn)角的大小對(duì)投擲距離有著一定的影響，從圖表中的趨勢(shì)線可以旋轉(zhuǎn)角越大，距離就越短。

3.2 探究旋轉(zhuǎn)角與投擲距離的定量關(guān)系

通過測(cè)量記錄下鉛球場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)并運(yùn)用幾何分析投擲角與投擲距離的關(guān)系，最終建立物理模型。

先用幾何來證明：如圖7。

設(shè)實(shí)驗(yàn)者的身體方向?yàn)锳B，鉛球運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镺C，假設(shè)實(shí)驗(yàn)者最佳成績(jī)?yōu)閘，那么OD=OE=l，旋轉(zhuǎn)角為x，則實(shí)際測(cè)量成績(jī)s滿足s=■。

我們知道r，l皆為常數(shù)，因此可得到物理模型f（x）=■。

假設(shè)我們?nèi)=1.0675m;l=8m，可做函數(shù)圖像：

x取值小于0到？仔/2這個(gè)區(qū)間，可見在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，x越大，y越小，y取最大值的時(shí)候，x等于零，因此說明旋轉(zhuǎn)角最小時(shí)，投擲距離最大，要求我們投擲鉛球時(shí)，旋轉(zhuǎn)角要盡可能小。

當(dāng)然，投擲機(jī)會(huì)是有三次，很大程度上是可以避免各種犯規(guī)，因此盡可能地降低投擲旋轉(zhuǎn)角，對(duì)提高成績(jī)有好處，而且日常的高密度訓(xùn)練也是提高精準(zhǔn)度的重要途徑。

3.3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)我們不僅發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角確實(shí)對(duì)投擲距離有影響，并且兩者呈負(fù)相關(guān)，旋轉(zhuǎn)角越大，投擲距離越短，因此運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練比賽的時(shí)候都要盡可能地避免旋轉(zhuǎn)角，從而提高成績(jī)，并堅(jiān)持訓(xùn)練，使自身的發(fā)揮趨于穩(wěn)定。

4 全文總結(jié)

本文運(yùn)用智能手機(jī)APP來探究田徑運(yùn)動(dòng)中的物理規(guī)律并提高訓(xùn)練效率和訓(xùn)練成績(jī)，相比起教練運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行培訓(xùn)來得更科學(xué)，或者團(tuán)隊(duì)運(yùn)用高端儀器來進(jìn)行訓(xùn)練來得更方便快捷，成本也更低，對(duì)于普通運(yùn)動(dòng)員相對(duì)更加可行。本文以鉛球?yàn)槔齺磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來探究其中的規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格控制變量，找尋旋轉(zhuǎn)角對(duì)投擲距離的影響并得出結(jié)論：旋轉(zhuǎn)角越大，投擲距離越短。不同的個(gè)體存在一定的差異，但總體的趨勢(shì)相似，因此可以當(dāng)成一個(gè)普遍規(guī)律，本文自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用簡(jiǎn)單便捷的實(shí)驗(yàn)儀器，處理數(shù)據(jù)并分析，這在教學(xué)中，對(duì)科學(xué)素養(yǎng)，習(xí)慣的培養(yǎng)以及科學(xué)知識(shí)的鞏固有著極大的意義，有利于提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)造力并善于發(fā)現(xiàn)生活中的小科學(xué)。[i]

【參考文獻(xiàn)】

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