基于智能手機(jī)的多普勒效應(yīng)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

饒迪 梁國(guó)盛

摘 ? 要：針對(duì)基于智能手機(jī)傳感器探究多普勒現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了更為簡(jiǎn)單、易行的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不同條件下對(duì)多普勒現(xiàn)象的定量研究，且實(shí)驗(yàn)效果明顯。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng);智能手機(jī);傳感器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）6-0046-2

智能手機(jī)內(nèi)置了十余種傳感器，如磁感應(yīng)傳感器、聲傳感器、陀螺儀等，各種傳感器給物理實(shí)驗(yàn)帶來了許多新的思路[1]。本文以“多普勒效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)為例，探討智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

1 ? ?傳統(tǒng)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中的不足

人教版教材和粵教版教材都是利用嗡鳴器引入課題，將嗡鳴器捆綁在木桿或繩子上快速轉(zhuǎn)動(dòng)讓學(xué)生感受多普勒現(xiàn)象。隨后，人教版教材用“多人步行”模擬多普勒現(xiàn)象，但學(xué)生難以理解“多人步行”和多普勒現(xiàn)象的聯(lián)系，認(rèn)為這種類比比較抽象。粵教版教材則要求學(xué)生根據(jù)教材給定的數(shù)據(jù)討論交流多普勒效應(yīng)的原理，缺乏實(shí)驗(yàn)過程，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

在實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，大多數(shù)教師會(huì)準(zhǔn)備汽車或火車疾馳而過的片段，通過播放視頻讓學(xué)生感受多普勒現(xiàn)象。以耳朵作為測(cè)量工具，學(xué)生往往難以區(qū)分響度或音調(diào)的變化，主觀性太強(qiáng)。對(duì)于部分難以區(qū)分響度和音調(diào)的學(xué)生，教師甚至?xí)啻翁嵝咽且粽{(diào)發(fā)生了變化，這必然會(huì)降低實(shí)驗(yàn)信度。

對(duì)此，有的教師將嗡鳴器和智能手機(jī)傳感器結(jié)合使用[2]，實(shí)現(xiàn)了多普勒現(xiàn)象的可視化。有的教師則用智能手機(jī)代替嗡鳴器 [3]，利用兩部智能手機(jī)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果。但該文中的“多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”部分也存在不足之處，如：只有擺角超過45°才能較明顯地觀察到頻率變化;擺長(zhǎng)至少1 m，對(duì)空間要求較大;兩部手機(jī)相互靠近和相互遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，兩種運(yùn)動(dòng)過程連接緊密，需要再借助其他軟件才能較好地讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

考慮上述因素，筆者針對(duì)“多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”部分設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、易行的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

2 ? ?多普勒現(xiàn)象學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?相關(guān)App簡(jiǎn)介

除了蘋果手機(jī)，安卓手機(jī)也可以下載“phyphox”軟件，降低了使用者的硬件要求。安卓版“phyphox”軟件功能同樣強(qiáng)大，而且實(shí)現(xiàn)了英文和中文的隨意切換，極大程度地方便了國(guó)內(nèi)的使用者。

2.2 ? ?教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，兩人為一組，A同學(xué)和B同學(xué)兩人分別持智能手機(jī)作為聲源和接收者，為了方便聲源（或接收者）的運(yùn)動(dòng)，兩位實(shí)驗(yàn)者站立間距約為一米。當(dāng)任何一個(gè)手機(jī)移動(dòng)時(shí)，聲源和接收者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、記錄、分析數(shù)據(jù)。

（1）A同學(xué)打開“phyphox”軟件中的“音頻發(fā)生器”板塊，作為聲源播放既定頻率（如1000 Hz）的聲音;

（2）B同學(xué)打開“phyphox”軟件中的“音頻自相關(guān)”板塊，作為接收者探測(cè)聲音頻率;

（3）保持兩部手機(jī)不動(dòng)，測(cè)量接收到的頻率為999.79 Hz，如圖1所示;

（4）B同學(xué)手持接收者不動(dòng)，讓A同學(xué)將聲源從右側(cè)快速移至左側(cè)，此時(shí)可以讀取到聲源靠近時(shí)接收到的頻率為1005.30 Hz，同理可讀取到聲源遠(yuǎn)離時(shí)接收到的頻率為994.34 Hz。測(cè)量過程及結(jié)果如圖2所示。

（5）A同學(xué)手持聲源不動(dòng)，讓B同學(xué)將接收者從左側(cè)快速移至右側(cè)，可以讀到接收者靠近時(shí)接收到的頻率為1012.45 Hz，同理可讀到接收者遠(yuǎn)離時(shí)接收到的頻率為985.74 Hz。測(cè)量過程及結(jié)果如圖3所示。

（6）引導(dǎo)學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出多普勒效應(yīng)的規(guī)律，填寫表格（見表1）。

3 ? ?總 ?結(jié)

與演示實(shí)驗(yàn)不同，本教學(xué)設(shè)計(jì)中的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親自參與對(duì)多普勒效應(yīng)的定量研究，體現(xiàn)了物理教學(xué)的實(shí)踐性和科學(xué)性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維與探究能力。利用智能手機(jī)測(cè)數(shù)據(jù)大大提高了實(shí)驗(yàn)的信度，不僅輔助了物理課堂教學(xué)，還培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度。教師在課堂教學(xué)時(shí)，也應(yīng)盡量將傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)有效結(jié)合，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒迪，程敏熙，李錫均.智能手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用綜述[J].物理通報(bào)，2019（4）：123-128.

[2]歐劍雄.智能手機(jī)在多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2015，35（11）：13-16.

[3]張昉璇，程敏熙，張華.基于智能手機(jī)的多普勒效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2018，40（10）：77-80.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）