利用Phyphox助力物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
——以“加速度的測(cè)量、探究”為例

殷永娟

(浙江省安吉縣高級(jí)中學(xué),浙江 湖州 313300)

1 引言

智能手機(jī)集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器,使得測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確、操作更方便。Phyphox軟件是基于手機(jī)中傳感器而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)軟件(圖1),使手機(jī)成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新工具。

圖1

加速度是高中物理中一個(gè)非常重要的物理量,但測(cè)量起來(lái)并不方便,用手機(jī)可以測(cè)出常見(jiàn)的加速度值，探究加速度與其他物理量的關(guān)系，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 利用Phyphox測(cè)量重力加速度

圖2

圖3

圖4

利用單擺測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵在于對(duì)單擺振動(dòng)周期的準(zhǔn)確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用智能手機(jī)可以測(cè)量單擺的振動(dòng)周期,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)又兼具趣味性與創(chuàng)新性，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路。

3 利用Phyphox探究向心加速度與半徑、角速度之間的關(guān)系

“探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，是教學(xué)的重難點(diǎn),而傳統(tǒng)的向心力演示儀只能定性分析向心力與半徑、角速度的關(guān)系。要得到向心力具體表達(dá)式，需要確定向心加速度與半徑、角速度的定量關(guān)系。

“向心加速度”傳感器可以得到任意時(shí)刻的向心加速度,也可以繪制出a-r、a-ω2圖像，探究a與半徑r、角速度ω的關(guān)系。

3.1 探究向心加速度a與半徑r的關(guān)系

如圖5所示，在圓桌面上放置兩部手機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)圓桌面,手機(jī)屏上顯示a-t圖,找到同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的加速度值,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出(表1),并計(jì)算出a1/a2的值,其平均值為2.61,再分別測(cè)出傳感器到圓心的距離r1=40.15cm、r2=15.40cm，r1/r2=2.607，與加速度之比基本相同，這樣可以得出結(jié)論:當(dāng)角速度相同時(shí),向心加速度與半徑r成正比。

圖5

表1

3.2 探究向心加速度a與角速度ω之間的關(guān)系

如圖6所示，將手機(jī)綁在倒置的自行車后輪里,轉(zhuǎn)動(dòng)腳踏板,得到a-ω及a-ω2的散點(diǎn)圖(圖7)。a-ω圖像中點(diǎn)跡明顯不在一條直線上，對(duì)a-ω2散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合(圖8)，容易看出:向心加速度a與角速度ω的平方成正比,改變手機(jī)的位置,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),則a-ω2圖像的斜率不同。

圖6

圖7

圖8

綜合以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以得到結(jié)論：向心加速度與半徑成正比、與角速度的平方成正比，即a=ω2r,再根據(jù)F=ma可以得到向心力公式。用手機(jī)完成探究實(shí)驗(yàn)，操作方便、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，通過(guò)定量探究得到物理規(guī)律,更有說(shuō)服力。

4 Phyphox軟件應(yīng)用于學(xué)生課外探究

(1)把手伸直,用手托著手機(jī)，打開(kāi)手機(jī)加速度傳感器，釋放手機(jī)讓手機(jī)離開(kāi)手掌做自由下落，讓手機(jī)落在軟墊上,觀察手機(jī)屏幕上落到軟墊后的a-t圖像(圖9),學(xué)生經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：加速度不斷減小。

圖9

(2)迅速下蹲、起立的a-t圖像如圖10所示，可引導(dǎo)學(xué)生探究失重和超重現(xiàn)象。

圖10

(3)將手機(jī)固定在洗衣機(jī)桶壁上,按下向心加速度按鈕,再按下洗衣機(jī)的脫水鍵，得到的a-t圖如圖11所示。

圖11

學(xué)生親自用手機(jī)完成實(shí)驗(yàn)會(huì)感到很新奇而且有成就感,對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣,他們的探究能力和創(chuàng)新能力也有了很大的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

Phyphox軟件功能豐富，可用來(lái)做諸多實(shí)驗(yàn)，智能手機(jī)輕巧便攜,可以打破做實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制。教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式可實(shí)現(xiàn)靈活多樣,同時(shí)學(xué)生也擁有自由的實(shí)驗(yàn)空間,這樣可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心。