智能手機(jī)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分析

【摘要】21世紀(jì)以來，世界逐漸進(jìn)入信息時代，科學(xué)技術(shù)在教育領(lǐng)域推廣和應(yīng)用發(fā)展到了前所未有的程度，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，教育信息化已成為全球教育發(fā)展的必然趨勢.手機(jī)作為信息化時代科學(xué)技術(shù)的新產(chǎn)物，其功能愈來愈強(qiáng)大，已從最開始只具備基本通信功能，提升為集多種重要功能為一體的智能載體.將智能手機(jī)作為物理教學(xué)的輔助工具，可以加速現(xiàn)代教育技術(shù)和物理課程的融合.

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

21世紀(jì)的今天，隨著社會的發(fā)展，信息化遍布全球，不僅促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)、生活、科技等方面的發(fā)展，對現(xiàn)代教育也產(chǎn)生了巨大影響.智能手機(jī)作為信息技術(shù)發(fā)展中的一個新興產(chǎn)品，已與人們的生活形影不離.我們不僅可以利用手機(jī)的附加功能，將現(xiàn)實(shí)生活中的素材引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可以讓手機(jī)本身成為實(shí)驗(yàn)的一部分.目前，大多數(shù)智能手機(jī)內(nèi)部安裝有十余種傳感器，它們具有精確直觀的傳感探測能力.此外，基于手機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)測量軟件也在持續(xù)開發(fā)，將智能手機(jī)內(nèi)置傳感器與相關(guān)軟件結(jié)合在一起，來輔助物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式受到越來越多的關(guān)注.

1 智能手機(jī)融入高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性分析

智能手機(jī)一般都配有重力、加速度、距離、聲音、磁場和陀螺儀等各種類型的傳感器，因此可以利用能夠讀取各種傳感器數(shù)值的應(yīng)用程序，幫助教師將手機(jī)中的各種

傳感器

獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高實(shí)驗(yàn)的精確度.例如phyphox和Physics Toolbox Suite等，它們可以獲取原始傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)，并有力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等分類以及斜面、尺等工具.同時，智能手機(jī)強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)功能支持可以助力物理教學(xué)簡化教學(xué)難點(diǎn)，使學(xué)生印象更深刻，對于知識點(diǎn)的理解與運(yùn)用也會變得更容易，減輕學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，對于學(xué)習(xí)效率的提升，也有很大程度上的促進(jìn)作用.由此可見，將智能手機(jī)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中是很有研究前景的.

2 支持高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的智能手機(jī)功能分析

2.1 智能手機(jī)的硬件支持

智能手機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，主要得益于其集成的各種傳感器和高性能的硬件支持.這些硬件設(shè)備為物理實(shí)驗(yàn)提供了精確的數(shù)據(jù)測量、實(shí)時反饋和便攜操作的可能性.智能手機(jī)具有Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙傳輸?shù)裙δ?，可向其他設(shè)備傳輸數(shù)據(jù).基于智能手機(jī)的操作系統(tǒng)可以通過自身配置的傳感器豐富擴(kuò)展手機(jī)功能，傳感器能夠感知周圍環(huán)境，然后將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息參數(shù)傳輸，CPU中心對這些數(shù)據(jù)信息作出反應(yīng)處理，使手機(jī)具有“智能”的功能［2］REF_Ref173598128＼r＼h＼*MERGEFORMAT.智能手機(jī)內(nèi)置傳感器，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了技術(shù)支持.通過數(shù)據(jù)采集，匯總了常見智能手機(jī)設(shè)備的傳感器及相關(guān)應(yīng)用，如表1所示.

2.2 智能手機(jī)的軟件支持

手機(jī)的基本系統(tǒng)功能有限，通過開發(fā)可安裝的擴(kuò)展功能程序，即手機(jī)軟件，可以改善原系統(tǒng)的不足.應(yīng)用市場對應(yīng)于不同的手機(jī)，可用于下載各種應(yīng)用軟件.其中，可用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件包括Science Journal、Sensor Sense、phyphox等.本文的物理實(shí)驗(yàn)借助phyphox進(jìn)行設(shè)計(jì)，該軟件通過調(diào)動內(nèi)置在手機(jī)中的各種傳感器，根據(jù)手機(jī)周圍環(huán)境的變化和手機(jī)的移動來測量和保存數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行物理或其他主題實(shí)驗(yàn)［3］REF_Ref173598108＼r＼h＼*MERGEFORMAT.該軟件目前支持十幾個傳感器.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最常用的傳感器就是加速度傳感器.它可以用來做各種物理實(shí)驗(yàn)，比如驗(yàn)證牛頓第二定律、測量物體加速度的大小和方向等.

3 智能手機(jī)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的意義

3.1 利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)有積極作用

利用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)、提升學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐操作能力，而且有利于學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng).智能手機(jī)作為學(xué)生日常生活中不可或缺的一部分，將其融入學(xué)習(xí)過程可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度.當(dāng)學(xué)生使用自己熟悉和喜愛的設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)時，他們更加愿意參與到學(xué)習(xí)活動中來.

3.2 利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，有助于物理課程改革的實(shí)施

基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，不僅深化了師生對實(shí)驗(yàn)的理解，更有助于學(xué)生感受到物理實(shí)驗(yàn)的魅力.在當(dāng)前教育環(huán)境中，科技的融入為傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來了革新性的變革.特別是物理課程，作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其教學(xué)方式能夠通過現(xiàn)代科技得到極大的豐富和擴(kuò)展，不僅提高了教學(xué)效率，還促進(jìn)了物理課程改革的實(shí)施.

3.3 利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用前景廣闊

智能手機(jī)在全球范圍內(nèi)的普及率極高，絕大多數(shù)學(xué)生都可以方便地接觸到這項(xiàng)技術(shù).這使得基于智能手機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠覆蓋更廣泛的學(xué)生群體，不受地域或經(jīng)濟(jì)條件的限制.同時在軟件開發(fā)市場上基于物理實(shí)驗(yàn)開發(fā)的軟件越來越多，這對于利用智能手機(jī)開展物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造了廣闊的空間.

4 基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)的阿特伍德機(jī)驗(yàn)證牛頓第二定律

阿特伍德機(jī)是由英國數(shù)學(xué)家喬治·阿特伍德所發(fā)明的驗(yàn)證恒定加速運(yùn)動定律的實(shí)驗(yàn)儀器.其基本結(jié)構(gòu)為一根質(zhì)量近似為零、幾乎沒有形變伸長的細(xì)繩跨在一個光滑的、無轉(zhuǎn)動的滑輪上，繩子的兩端分別掛著兩個重量略為不等的重物［4］REF_Ref173664349＼r＼h＼*MERGEFORMAT.這種裝置常出現(xiàn)于高中物理教學(xué)中，用于解釋物理學(xué)中常見的力學(xué)原理（如圖1）.傳統(tǒng)的阿特伍德機(jī)實(shí)驗(yàn)通常依賴于手動計(jì)時和測量，這可能會引入人為誤差并影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.例如常見的利用阿特伍德機(jī)驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2）由鐵架臺、打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶以及兩個懸掛的物體m1、m2構(gòu)成.此裝置存在逐差法中的位移差測量、時間間隔的確定和人為讀數(shù)等因素導(dǎo)致的誤差.而基于智能手機(jī)改良的阿特伍德機(jī)可以有效避免上述誤差，智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器可以提供一種更精確、高效的方式來收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尤其是在考慮到滑輪旋轉(zhuǎn)的情況下，這對于完整地理解阿特伍德機(jī)的運(yùn)動學(xué)原理至關(guān)重要.

實(shí)驗(yàn)裝置 由定滑輪、細(xì)繩、4內(nèi)置加速度傳感器的手機(jī)（兩部）和不同負(fù)載組成的阿特伍德機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置（如圖3）.

實(shí)驗(yàn)原理 教師將細(xì)繩兩邊分別掛上帶有加速度傳感器的智能手機(jī)和鉤碼，跨過滑輪，使m1gt;m2，根據(jù)牛頓第二定律及轉(zhuǎn)動定律，列出下列方程：T1－m1g=m1a，T2－m2g=m2（－a），J=rα，J=12mpr2，T1r－T2r=Jα.

m1、m2為細(xì)繩兩邊物體的質(zhì)量，T1、T2分別為滑輪兩邊

繩子的拉力，a表示物體加速度，J為滑輪的轉(zhuǎn)動慣量，r為滑輪的半徑，mp為滑輪質(zhì)量，α是滑輪轉(zhuǎn)動的角加速度，聯(lián)立上式可解得：

a=m1－m2m1+m2+12mpg.

實(shí)驗(yàn)方法 提前運(yùn)用智能手機(jī)的加速度傳感器測量出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭.接著測出m1和m2的質(zhì)量，調(diào)整好裝置，運(yùn)行phyphox，進(jìn)入“加速度（不含g）”頁面，選擇“加速度”（不含g）一欄，為了方便實(shí)驗(yàn)操作，在加速度功能頁面可選擇定時運(yùn)行，啟動延遲設(shè)置為3.0s，實(shí)驗(yàn)時長設(shè)置為5.0s，然后點(diǎn)擊屏幕右上角閃爍的三角形即可開始實(shí)驗(yàn).運(yùn)行程序，釋放物體，記錄數(shù)據(jù).從質(zhì)量較重的一端取下鉤碼，掛到另外一側(cè)，再次釋放物體，并對整個運(yùn)動過程進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，接著在繩子兩端減去相同重量的鉤碼，釋放物體，測量數(shù)據(jù)，然后重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)記入表中，進(jìn)行分析和討論.

實(shí)驗(yàn)記錄加速度數(shù)值以及相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示.通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在誤差允許范圍內(nèi)可以看出總質(zhì)量保持不變，物體的加速度與它所受合外力成正比.同理，在合力m1－m2g大小不變的情況下，物體的加速度與物體總質(zhì)量成反比.

利用加速度傳感器可以輕松測量運(yùn)動系統(tǒng)的垂直加速度，同時還考慮了通常被以往研究忽略的滑輪轉(zhuǎn)動.在這個實(shí)驗(yàn)中，智能手機(jī)加速度傳感器的使用有助于增強(qiáng)經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)演示效果.

5 結(jié)語

為了順應(yīng)時代的變化，教育和信息融合必不可少，在以后的教學(xué)研究工作中，時代的發(fā)展跨度會更快，教育的發(fā)展變革也會更迅速，教育促進(jìn)社會的發(fā)展，科技進(jìn)步帶動教育進(jìn)步，科技和教育整合的研究將會一直持續(xù)，智能手機(jī)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)有著廣闊的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)：

［1］教育部.國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）［DB/OL］.http：∥www.moe.edu.cn，2010-10-01.

［2］宋藝華，王曉盟，丁益民.利用智能手機(jī)傳感器改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（04）：37-38.

［3］何璐，祖米熱姆·伊馬木，方偉.phyphox軟件介紹及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.物理通報(bào)，2020（02）：101-104+108.

［4］王學(xué)軍.阿特伍德機(jī)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1988（02）：93-97.