基于手机传感器的中学物理实验设计

基于传感器的中学物理实验设计〔〕:

摘要：智能自带许多传感器，可为中学物理课堂教学提供新型实验技术手段。本文以中线性加速度传感器、磁力传感器和声音传感器为例，设计一些中学物理创新实验。

关键词：传感器；中学物理实验

本文引用格式：毛明骏,陈增宇,黄宏锐,等.基于传感器的中学物理实验设计[J].教育现代化,2022,6(20):243-244.

随着智能不断普及，智能在日常生活中发挥着很大的作用。智能中有很多传感器，如磁力传感器、线性加速度传感器、声音传感器、陀螺仪传感器、温度传感器等，这些传感器与初高中的很多物理量有着严密的联络，假设利用这些传感器设计一些创新性实验，不仅便于教师的教学活动，而且可以吸引学生注意力，进步其课堂积极性，加深对所讲内容理解。本文以线性加速度传感器、磁力传感器和声音传感器为例，设计一些中学物理创新实验【1】。

一利用加速度传感器探究超重与失重现象

电梯运行时会发生超重与失重现象，高中教材只是通过让学生观察秤示数的变化来定性理解超重与失重现象，而利用软件"sensorkinetics";内的"linearaccelerationsensor";功能，可以定量测量加速度随时间变化关系，详细实验如下。

如图1所示，将秤置于置于秤上，竖直向上为加速度在Z轴的正方向。在未启动电梯前，秤测得静止时质量

为225g。

当电梯运行时，分别记录向上的加速运动、向上的减速运动、向下的加速运动和向下的减速运动时加速度随时间变化情况，同时观察秤的示数变化，即视重的变化。以向上的加速运动为例：如图2所示，加速度随时间先增大后减小至0，然后做匀速直线运动。由数据记录可知，z轴正方向的最大的加速度为0.63m/s2，此时的重力加速度为9.8m/s2，经计算，秤的示数应为m(F)=(mg+ma)/g=239.5g，观察到秤的最大示数为240g。误差很小，仅为0.2%。分别处理分析四种运动情况的数据，结果如表1所示，可见测量值与计算值符合的很好。

学生通过同时观察软件"sensorkinetics";内的"linearaccelerationsensor";测得的加速度和秤的示数，不仅可以定性理解超重与失重，更可以通过定量计算，更深化理解超重与失重的本质。

二利用磁传感器探究初速度为零的匀加速直线运动中s与t的关系

高中教程中直接给出了初速度为零的匀加速直线运动公式，而我们如今可以将磁铁等间距固定于气垫导轨的刻度尺上，将与滑块固定在一起〔如图3所示〕，利用内部的磁传感器，测得滑块经过每个磁铁的时间，即可拟合s与t的关系。

详细实验操作为为将正面朝上固定于滑块上，用100g的钩码，从静止释放滑块，利用软件"sensorkinetics";内的"MagnetometerSensor";功能，记录经过每一个磁铁〔磁场强度的峰值处〕的时间，详细数据如表2所示。

经数据拟合，在实验误差允许范围内，可得s与t2成正比，其斜率为74cm/s2，与通过内的线性加速度传感器测出的加速度a的二分之一相吻合，即可验证。

三利用声音传感器探究声音的特性

将"声音发生器";和"波形检测器";软件分别安装在两部智能〔分别用A和B表示〕中。首先将A中的"声音发生器";翻开并点击到正弦按钮，频率调到某一固定值〔如为650HZ〕。将声音响度也调到某一固定值，如图4〔a〕所示。翻开"On/Off";按钮，就会听到声音。然后将B"波形检测器";翻开，点击"示波器";按钮，即可在主面板上显示此时听筒承受的声音波形图，可以观察到波的密集程度〔频率〕以及峰值的大小〔振幅〕，如图4〔b〕所示。保持A声音。

发生器的频率及A、B的相对位置不变，将"声音发生器";的声音响度控制器不断增大，此时B中的波形峰值不断增加，即振幅不断增大，而波的密集程度〔频率〕不变，如图4〔c〕、〔d〕所示。由此可以得出结论：声音的响度与声波的振幅有关，振幅越大，响度就越大，而与声波的频率无关。

声音传感器，为学生认识声音的特性提供了可视化的场景〔波形图〕。利用声音传感器不仅可以探究响度与振幅的关系，还可以探究响度与间隔声源远近的关系、音调与频率的关系、音色与发声体材料和构造有关等【2】。

四结语

物理是一门以实验为根底的学科，实验也是中学物理教学中的一个重要环节，物理概念、理论和规律都是在物理实验的根底上得出的。通过上述三个实验，我们发现可以利用传感器进展创新实验。这些实验不仅可以激发学生对于物理的学习兴趣，加深学生对于抽象概念的理解，还能促进教师教学程度的进步。我们也相信，在将来科技快速开展的过程中，传感器将在中学物理教学中有着更加广泛的应用，也将充当越来越重要的角色。

参考文献

【1】杨蕾,胡银泉.