基于手機(jī)傳感器的動(dòng)摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)

李學(xué)智

摘?要：隨著智能手機(jī)的普及，手機(jī)傳感器逐漸被應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.以動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量為例，介紹手機(jī)傳感器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn);動(dòng)摩擦因數(shù);智能手機(jī);手機(jī)傳感器

文章編號(hào)：1008-4134（2020）11-0055中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

動(dòng)摩擦因數(shù)是高中階段一個(gè)比較重要的物理量，關(guān)于動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量教材并沒有介紹，高考考綱對(duì)此也未作要求，但近年高考試題中關(guān)于測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)常出現(xiàn).一些一線教師雖對(duì)測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究、總結(jié)[1-3]，但無論是從力的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)還是從能量的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，基本上都采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段.本文以動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量為例，介紹手機(jī)傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.

1?實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，將手機(jī)和木塊視為一個(gè)整體，設(shè)其總質(zhì)量為m，調(diào)節(jié)斜面傾角α，使木塊和手機(jī)可沿斜面加速下滑，加速度為a.

由牛頓第二定律可得?mgsinα-f=ma（1）

由平衡條件可得?FN-mgcosα=0（2）

又?f=μFN（3）

聯(lián)立（1）（2）（3）可得?μ=gsinα-agcosα（4）

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過手機(jī)Phyphox軟件測(cè)量本地重力加速度g、斜面傾角α及木塊下滑時(shí)的加速度a，即可得到木塊與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ.

2?實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

如圖2所示，完成本實(shí)驗(yàn)需要裝有Phyphox軟件的智能手機(jī)、長(zhǎng)木板、小木塊、紙箱及雙面膠.

（1）將手機(jī)水平置于桌面，打開手機(jī)Phyphox軟件，選擇“含（g）的加速度”，點(diǎn)擊開始鍵，可測(cè)得本地重力加速度g=9.83m/s2（如圖3所示）.

（2）將長(zhǎng)木板平放在水平桌面上，小木塊置于長(zhǎng)木板上，用紙箱將長(zhǎng)木板的一端墊高，使小木塊能沿長(zhǎng)木板下滑.

（3）用雙面膠將手機(jī)固定在小木塊上，打開Phyphox軟件，選擇“斜面”，點(diǎn)擊開始鍵，測(cè)得長(zhǎng)木板的傾角α=19.12°（如圖4所示）.

（4）選擇“加速度（不含g）”，點(diǎn)擊開始鍵，釋放小木塊，記錄小木塊運(yùn)動(dòng)過程中的加速度a=0.68m/s2（如圖5所示）.

（5）移動(dòng)紙箱的位置以改變長(zhǎng)木板的傾角，重復(fù)（3）、（4）的實(shí)驗(yàn)過程，可獲得多組數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)填入表1.

3?數(shù)據(jù)處理及分析

利用（4）式可求得木—木間的動(dòng)摩擦因數(shù)，測(cè)量值見表2.

人教版課本中給出木—木間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.3，但由于實(shí)驗(yàn)中所使用的小木塊表面涂有清漆，使得動(dòng)摩擦因數(shù)的測(cè)量值偏小.若將小木塊換成鐵塊、書本或?qū)㈤L(zhǎng)木板換成玻璃板、鋼板等不同材料，根據(jù)同樣的辦法即可測(cè)量不同材料之間的動(dòng)摩擦因數(shù).

為了獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在測(cè)量小木塊加速度時(shí)應(yīng)選擇“定時(shí)運(yùn)行”，設(shè)置啟動(dòng)延時(shí)和實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，以獲取小木塊穩(wěn)定下滑過程的加速度，且隨著長(zhǎng)木板傾角的增大，啟動(dòng)延時(shí)和實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的數(shù)值應(yīng)逐漸減小.

4?結(jié)束語

加快信息化時(shí)代教育變革是《中國教育現(xiàn)代化2035》的任務(wù)之一.但信息化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校甚至一些縣城學(xué)校都還未普及，然而高中生中智能手機(jī)幾乎人手一部，結(jié)合一些手機(jī)APP軟件合理利用智能手機(jī)中的傳感器開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的一種有效途徑.

利用智能手機(jī)中的傳感器設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)不需要專門的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如探究超重與失重[4]、自由落體運(yùn)動(dòng)、蹦極[5]、單擺周期和擺長(zhǎng)的關(guān)系[6]、驗(yàn)證向心加速度與角速度的關(guān)系[7]等，使得物理實(shí)驗(yàn)生活化，實(shí)驗(yàn)探究常態(tài)化，有利于提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一種有效方法.

近年來因手機(jī)引發(fā)的各種校園沖突事件時(shí)常發(fā)生，智能手機(jī)對(duì)學(xué)生身心及學(xué)業(yè)的影響已經(jīng)引起人們的普遍關(guān)注，不同學(xué)校根據(jù)實(shí)際情況制定手機(jī)管理規(guī)定，但“堵”不如“疏”，引導(dǎo)學(xué)生合理利用智能手機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生由玩“機(jī)”喪志轉(zhuǎn)變?yōu)橥妗皺C(jī)”激趣，這也是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效策略.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2020-01-01）