利用手機研究簡諧運動

沈 昊

（1.蘇州大學 物理與光電·能學部，江蘇 蘇州215006；2.梅李高級中學，江蘇 常熟215500）

智能手機在近幾年中發展迅速，兩大手機軟件平臺IOS及Android出現了各類軟件，其中有一些對物理教學有很大幫助，特別是運用于手機中的精密傳感器，為一些物理實驗提供了新的方法及思路［1-6］.筆者以Sparkvue軟件為例對彈簧振子及單擺的運動周期進行研究.

1 Sparkvue軟件介紹

Sparkvue（圖1）是由PASCO公司針對IOS平臺開發的數據采樣軟件，可通過蘋果應用商店免費下載［7］.軟件可以利用iPhone，iPad，iTouch內部傳感器測量實時加速度并進行記錄，如果外接PASPORT AirLink 2藍牙配件還可以測量pH值、溫度、力、氣體濃度等，該軟件為物理量的測量提供了快捷有效的手段.

圖1 Sparkvue圖標

圖2 Sparkvue軟件界面

圖3 加速度測量方向選取

本文只介紹采用iPhone自帶傳感器對手機運動加速度的測量.進入Sparkvue軟件（圖2）可對實驗進行新建及命名，在加速度測量方向上可選擇3個方向x，y，z.以iPhone5為例（圖3），x方向是沿著手機寬所在的方向，y方向是沿著手機長所在的方向，z方向是與手機屏幕所在面垂直的方向.測量加速度值可以m／s2為單位或以重力加速度g的倍數進行記錄.采樣頻率可以自行選擇，最低為5Hz，最高可達100Hz.測量的時間長短也可以自由設置.當開始測量時，軟件會在手機屏幕上進行加速度與時間關系圖的繪制（圖4）.實驗完成后數據可以通過軟件自身以.csv格式發送到電子郵箱中，實驗者可以通過Excel或SPSS等數據處理軟件打開并對其進行數據分析.

圖4 a-t曲線

2 用手機測量彈簧振子振動周期

2.1 實驗器材與設備

iPhone手機（已安裝Sparkvue）、電腦、天平、砝碼、鐵架臺、鐵夾、細線.具體實驗過程如下：

1）用天平稱手機及鐵夾（作振子）的總質量.

2）打開手機中Sparkvue軟件并新建實驗進行命名，選擇加速度測量方向為y方向，采樣頻率為50Hz，數據記錄單位為m／s2，采樣時間可設為60s.

3）將彈簧豎直自然懸掛在鐵架臺上，用鐵夾夾住手機上端并用細線懸掛在彈簧下方（圖5），微調手機及鐵夾方向，使手機豎直下垂（可通過觀察Sparkvue軟件中測出x，z方向的加速度是否接近于零，判斷手機是否豎直下垂）.

圖5 測量裝置

4）打開Sparkvue軟件，選擇新建的實驗并點擊開始，沿豎直向下給手機施加拉力，使彈簧拉伸一定長度，放開手機，手機會隨彈簧上下自由振動，觀察手機屏幕上描畫出的測量曲線.

5）等待60s后取下手機，在軟件中對測量數據進行命名保存并發送到電子郵箱中.

6）改變彈簧下端所懸掛物的質量或更換彈簧重復上述過程，進行多次實驗.

7）整理儀器，在電腦中開郵箱下載實驗所獲得的.csv文件，進行數據分析研究.

2.2 實驗數據分析處理

以其中2次實驗結果分析作介紹.

圖6 m＝138.6g時，y方向的a-t圖

圖7 m＝238.6g時，y方向的a-t圖

3 進行單擺周期測量

由于用1根單線很難使手機保持豎直并且不打轉，因此本實驗用雙線擺替代.

3.1 實驗器材與設備

實驗器材為：iPhone手機（已安裝Sparkvue）、電腦、天平、砝碼、鐵架臺、架子、細線.實驗過程如下：

1）用天平稱出質量.

2）打開手機中Sparkvue軟件并新建實驗進行命名，選擇加速度測量方向為x方向，采樣頻率為50Hz，數據記錄單位為m／s2，采樣時間可設置60s.

3）將雙線固定在鐵架臺上，雙線另一端固定在手機兩側（圖8），調整手機保持豎直（可通過觀察Sparkvue軟件中y和z方向的加速度是否接近零）.

圖8 用雙線固定手機

4）用直尺測量出雙線擺等效擺長.打開Sparkvue軟件，選擇所新建的實驗并點擊開始，使手機及擺線與豎直方向成一小角度，無初速度釋放手機讓其自由擺動，觀察手機屏幕上描畫出的測量圖線.

5）等待60s后取下手機，在軟件中進行數據命名保存并發送到自己電子郵箱中.

6）改變擺長或改變懸掛物質量重復上述過程，進行多次實驗.

7）整理儀器，在電腦中開郵箱下載實驗所獲得的.csv文件，進行數據分析研究.

3.2 實驗數據分析處理

圖9中懸掛物質量m＝121.5g，測量擺長L＝0.765m，周期為相鄰波谷之間時間間隔2倍，平均值為T＝1.73s.圖10為改變懸掛物質量為m＝235.2g，擺長仍為L＝0.765m，由圖可得平均周期為T＝1.74s.根據單擺周期公式T＝2π代入當地重力加速度可計算理論上周期為T＝1.75s.

圖9 m＝121.5g時，x方向的a-t圖

圖10 m＝235.2g時，x方向的a-t圖

4 實驗的優缺點

經過多組實驗發現實驗測量結果與理論值都很接近.Sparkvue軟件在周期測量方面直觀而又精確，除了能得到所需要的周期之外，還可以對運動過程中每一時刻的加速度進行研究，這對簡諧運動的教學有很大幫助.但是利用手機做實驗無法消除自身形狀對實驗造成的影響，在改變振子及懸掛物質量時也不太容易操作，在單擺實驗中，手機自身的擺動也會對實驗精度造成影響.這些都需要對實驗進行進一步改良.

5 結束語

隨著科技的進步，手機不僅僅是人們的通信工具.利用Sparkvue軟件還可以研究生活中的一些物理現象，例如人跑步時及汽車運行過程中的加速度、坐電梯時超重失重現象等.這些都能提高學生學習物理的興趣，同時也能培養學生收集及處理數據的能力.總之，科技進步給我帶來的改變都值得我們關注，我們的物理教學也應當與時俱進.

［1］鄭少燕，林淑淇，李德安，等.基于PASCO系統的加速度研究［J］.物理實驗，2013，33（4）：12-13.

［2］梁婷，項華.視頻分析法在物理教學中應用-用手機GPS導航體驗生活中的運動［J］.物理教師，2013，34（6）：21-33.

［3］侯聰玲.基于Android系統控制的藍牙智能車研究［J］.物理實驗，2013，33（7）：43-44，48.

［4］周艷麗，王揚威，王超，等.滾擺運動的研究［J］.物理實驗，2013，33（9）：34-36，40.

［5］劉茂軍，肖利.物理教學法實驗與中學物理實驗銜接問題的研究［J］.物理教師，2012，33（6）：1-3，8.

［6］Pendrill A M，Rohlén J.Accelerationand rotation in apendulum ride，measuredusing an iPhone 4［J］.Phys.Educ.，2011，46（6）：676-681.

［7］PASCO Instruction manual and experiment guide for the PASCO scientific model ME-9215Bphotogate timer 012-06379BManual（Roseville，CA：PASCO scientific）［Z］.23-5.