身邊的實驗教學裝備

興喬++艾倫

話說裝備（十八）

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.001

目前的智能手機都具備多種傳感器，并附帶了各種測試軟件，可以對周圍環境的力、熱、聲、光、電、磁等物理量進行從簡單到復雜的測量。在校的初高中學生乃至小學生，幾乎都備有智能手機，這身邊的實驗教學裝備就給隨時進行的物理實驗創造了條件；而對待數據的態度和數據處理的方法則為培養學生創新能力提供了支持。

1 智能手機中的傳感器

智能手機中配備的傳感器，絕大部分屬于MEMS（Micro Electro Mechanical System，微型電子機械系統，或簡稱為微機電系統）傳感器，它的應用已經涉及電子、機械、材料、物理、化學、生物、醫學等多種科技領域。一般的智能手機上都具有了壓力傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、角加速度傳感器、位移傳感器、方向傳感器、光傳感器、聲傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器、濕度傳感器、磁力傳感器、GPS（全球定位系統）定位器等。

1）壓力傳感器其實是大氣壓力傳感器，一般只能用于測量大氣壓強，但也可以根據當前位置的大氣壓計算出海拔高度。

2）重力傳感器實質上是重力加速度傳感器，以測量當前位置的重力加速度值為主。

3）加速度傳感器也稱線性加速度傳感器，用于測量線性加速度或速度的變化情況。

4）角加速度傳感器也稱三軸陀螺儀傳感器，用于測量X、Y、Z這三個方向的角加速度。

5）位移傳感器也稱接近傳感器或距離傳感器，用于測量物體到手機之間的距離。

6）方向傳感器也稱電子羅盤，可測量當前位置的東、南、西、北各個方向。

7）光傳感器可以用于測量周圍環境的光照度。

8）聲傳感器可以用于測量周圍環境的聲場強度。

9）溫度、濕度傳感器可以用于測量周圍環境的溫度和濕度。

10）紅外傳感器可以用于測量附近物體的紅外輻射強度。

11）磁力傳感器可以用于測量當前位置的磁場強度。

需要說明的是，并非所有的手機都配備了上述諸傳感器，同樣也不是上述傳感器就囊括了手機傳感器的全部，隨著傳感技術的發展，將會有更多具有特殊功能的傳感器出現在手機上。相信今后的手機不僅要配備這些可用于物理學量測量的傳感器，用于化學量、生物學量測量的各種傳感器也將會逐步出現，屆時手機對化學、生物學實驗教學的測量儀器作用也就會展現出來。

2 智能手機中的測量軟件

智能手機中配備的各種傳感器為物理量的測量提供了硬件條件，為了能夠盡量準確地測量和提供數據，還需要編制相應的應用程序來完成測量和計算。目前為各種手機編制的測量軟件已經十分豐富，此處僅以Android（安卓）系統為例作簡單介紹。

1）多功能測量工具Smart Tools。這是一個集合了多個測量工具的應用軟件，可分別測量長度、角度、坡度、距離、高度、寬度、面積、方向等；并具有金屬探測儀、全球定位系統、智能羅盤、聲級計、測振儀等功能。

2）超級工具箱。該軟件集成了鬧鐘、計時、手電筒、指南針、錄音機、計算器、日歷、測量尺、水平儀、垂直儀、分貝儀、計步器等12種工具。

3）自動距離。該軟件可快速測量任何物體的距離或高度，提供數據的單位為米（m），并具有三位有效數字。

4）超級尺子。該軟件具有水平儀和垂直測準儀的功能，同時還提供了大距離測量，有效數字達到四位。

5）還有大量單一功能的測量工具軟件，如溫度計、聲壓分貝計、光度計、高度計、速度計、濕度計等。所有這些軟件在進行測量時，為了數據的精確性往往不是僅依靠一種傳感器，而是綜合使用多種傳感器來得到一個測量結果。例如：測量海拔高度的軟件就同時使用了壓力（氣壓）傳感器和GPS定位器；測量方向時則聯合使用了陀螺儀和電子羅盤；等等。

Android是基于Linux主要用于移動設備自由與開放源代碼的操作系統，其開放性為用戶開發編制該操作系統下的應用軟件提供了寬松的條件。雖然在互聯網上可以自由下載安裝上述各種測量應用軟件，但這些軟件未必能夠真正滿足學校實驗教學時學生對物理量的測量，所以開發新型的應用軟件是必要的，也是可行的。

3 測量誤差與數據處理

用手機測量物理量的最大問題是測得數據的可靠性，這里有兩個方面需要說明：一個是測量值與“真值”之間的差距或測量誤差的大小，即精確度；另一個是測得數據有效數字位數的多少，即分辨率。關于精確度的問題涉及到測量誤差理論，在實驗過程中一般存在兩種測量誤差：一個是構成實驗系統的儀器和設備由于制造不精準而產生的系統誤差；另一個是實驗者由于生理和心理的影響使得操作上產生的隨機誤差。通常，減少系統誤差的方法是盡量使用精度高的儀器設備和經常對儀器設備進行校準，而減少隨機誤差的方法則是在實驗中對一個數據進行多次測量。

手機中的傳感器因為成本問題使得其精度是很低的，所以在用手機作為實驗儀器的測量時，要想降低系統誤差是比較困難的。但是，使用手機進行測量的最大優勢在于手機的數量多，實驗過程中有很多學生共同參與，這將會大幅度減少系統誤差和隨機誤差，而這一點是具有理論依據的，這個理論依據就是統計物理的律[1]。

律是說若一個系統的測量標準差（即系統誤差）是Δ，則隨著樣本量n的增加，測量標準差將呈現規律的下降。具體到物理實驗中，如果使用n=4只不同手機對同一個物理量進行測量，則測量誤差（系統誤差與隨機誤差）將由原來的Δ變為0.5Δ；而若使用n=100只手機測量，測量誤差就減少為0.1Δ了，即降低了一個數量級。其實在這里能夠使用律是基于一個基本假設的，那就是假設手機的設計制造都是努力地使得傳感器的測量值盡量接近真值。但由于材料上和工藝上的原因，使它們隨機地偏離了真值，并在真值附近呈正態分布。這個假設顯然應該是成立的，因為任何一個手機傳感器的設計制造者都會這樣地去追求產品質量的。

有效數字位數是測量中另一個需要關心的問題。各種不同手機具有不同的傳感器和相應的軟件，測量結果顯示數據的有效數字位數也是不同的，所以需要對所有參與測量手機提供的測量結果進行處理，即在計算所有數據的算術平均值時應根據有效數字處理原則，保留的有效數字位數為所有參加運算數據中的最少位數。

4 手機實驗測量的意義

為了讓學生了解現代化的測量儀器設備，購置和配備精良的實驗教學裝備是必要的。但是，學生利用低劣的儀器設備，通過自主的研究和設計，培養出他們能夠測量和計算出精準結果的知識與能力才是更為重要的，因為這種能力是創新型人才真正所應該具備的能力。記得2003年首都師范大學教育技術系建立新實驗室，購置了大量高檔儀器設備，其中僅示波器就都是進口、寬帶、存儲型的。當請來北京大學信息科學技術學院的王楚教授和謝柏清教授對實驗室進行項目評估時，兩位教授對此大不以為然。他們說他們現在的實驗室中仍然使用20世紀五六十年代的國產電子管示波器，但是他們的學生可以根據測試波形失真的情況（如波形倒角等）計算出示波器的實際帶寬、波形的延遲等一系列參數，并根據這些參數對實驗結果進行精確的數據處理。

創新型人才培養是一個重大問題，其中培養模式與培養方法非常的關鍵，所以教育裝備在創新型人才培養中的地位與作用是十分值得認真研究的。

參考文獻

[1]薛定諤.生命是什么[M].羅來歐,羅遼復,譯.湖南科學技術出版社,2003:15.

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