巧用智能手机辅助物理实验 论文

巧用智能手机，辅助物理摘要：很多智能手机都有包含加速度传感器在内的多种传感器，而Phyphox正是基于传感器设计开发的物理实验手机软件。在常规的测量方法之外，利用Phyphox调用手机内部的传感器，可以完成多项测量。本文使用多种方法测量重力加速度，给学生提供课本之外可供操作的实验方法，以期提高学生学习物理的兴趣，激发其探索的热情。关键词：传感器，Phyphox，实验，重力加速度一、Phyphox功能简介Phyphox是德国亚琛工业大学基于传感器设计开发的物理实验手机软件。Phyphox软件可实现多种内置功能，可用于光学、声学、力学、磁场等实验Phyphox可以通过访问手机内置的传感器，如加速度传感器、光传感器、磁传感器以及压力传感器等，直接测量相关数据，可供使用者在物理实验中使用。在使用过程中Phyphox软件会以数字或图像的形式显示测量结果，并可以导出原始数据，方便使用者对结果进行进一步分析、处理。利用智能手机，借助Phyphox软件可以使学生即使在课下也能进行实验探究。这打破了传统教学过程的时空限制，使学生体验探究的乐趣，也促进了学生学习物以下以四种测量重力加速度的方法为例，探索智能手机辅助物理实验的可行之路。二、利用Phyphox辅助测量重力加1．加速度传感器（含g）打开Phypho，在RawSensors中选择Acceleratiowithg，将手机放在平静的桌面选中SIMPLE栏目，点击右上角的三角形开始收集数据，再按一次即可暂停。屏幕上能够显示出三个不同方向的加速度分量以及加速度的绝对值，其中Accelerometerz一行显示的就是竖直方向上（即与手机屏幕垂直的方向）的加速度分量。Accelerationwithg能够获得加速度传感器的原始数据，但不会扣除重力，因此当手机静止，它会报告9.81m/s22的加速度值，所以当地重力加速度如果不是9.81m/s的话，误差可能会增大。点击右上角的三个点形状的符号有更多的设置，例如使用Sharescreenshot功能可以截取屏幕。2．加速度传感器（不含g）在RawSensors中选择Acceleration(withoutg)，选中GRAPH栏目，屏幕中出现三个图像，分别是三个不同方向的加速度分量随时间变化的图像。Acceleration(withoutg)能获得加速度传感器的原始数据，显示出手机的实际加速度。点选LinearAccelerationz，即可放大z轴方向上的图像。手机平放后，让其自由下落，下面铺上毛巾或枕头接住也可以用手托住手机，手掌迅速向下运动，让手机脱离手掌而自由下落，然后观察屏幕上竖直方向加速度随时间变化的图像，使用屏幕下方的Pickdata功能可以选择图像中任一点，找到最低点，屏幕上能够显示该点对应时刻竖直方向加速度的数值，即为重力加速度值。3．.自由落体法Timers菜单中AcousticStopwatch功能可以测量两个声音之间的时间间隔，利用此功能结合自由落体位移公式可以测出重力加速度。准备一把钢尺和一个小铁球，把钢尺放在桌边并漏出一部分，再把铁球放在钢尺上漏出桌面的部分，使其静止。猛地敲击钢尺（敲击时注意不要使铁球有竖直方向上的加速度），使其脱离铁球。接下来铁球做自由落体运动，并砸在地面上。在此过程中，敲击钢尺与铁球落地时会发出较大的声音，手机放在附近即可测出这两个声音之间的时间间隔。（图3）接着测量桌面到地面的距离，即为铁球自由落体下降的高度。将以上两个数据带入公式即可求出重力加速度的值。设法调节下落高度，多次测量得到多组数据后，可以引导学生用不同方法处理数据。除了将每组数据代入公式得到的g值取平均值外，学生已接触过图像法处理物理问题，这里可以画出图像，得到如2h-t的图像，则图像的斜率大小表示的就是g值。上述实验过程中，要保证敲击钢尺与铁球落地时的声音足够大，最好在较安静的环境下进行实验，也可以适当调节Threshold（阈值）使其高于噪声值但低于触发值。除了以上方法外，也可以让学生设计其他方式以得到较好的实验效果。4．单摆法根据单摆的周期公式可得，只需测出摆长和周期就能计算出重力加速度。用绳将手机捆好，测出悬点到手机重心的距在Mechanics菜单的Pendulu选中G栏目，手机内部传感器可以给出摆动的周期和频率，输入测量好的摆长，即可得到重力加速度值。该功能直接给出了g值，无需计算，但一次测量误差较大，可以改变绳长多次测量。数据处理方法同上，可以将多次测得的g值取平均，也可以画出绳长与周期平方的图像，通过斜率求g值。以上几种方法所需实验器材生活中容易获得，非常适合学生居家实验以锻炼动手操作能力。除上述方法之Phyphox还有其他功能亦能实现重力加速度的测Sprin利用弹簧测量重力加速度以及(In)elasticcollision利用碰撞测量重力加速度等，可留待学生思考，发散其思维，使其不局限于课本。参考文献[1]糜雪.浅谈智能手机在高中物理实验教学中的应用——以Phypho软件为例[J].物理之友，019，35(8)：40~4[2]何璐，祖米热姆·伊马木.Phyphox软件介绍及其在物理教[J].物理通报2020，2：01~10，108[3]JKuhn，PVogt.Smartphasexperimentaltools：Differentmethodstodeterminethegravita