智能手機中加速度計的原理及教學應用

楊 蕾 胡銀泉*

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

智能手機中加速度計的原理及教學應用

楊 蕾 胡銀泉*

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

智能手機傳感器為物理教學帶來了全新的教學方式．對此，筆者詳細介紹了手機加速度計的工作原理，解決如何通過內部的彈簧-重物系統，實現測量靜止時手機所受的重力加速度．而后，將手機加速度計引入物理教學中，研究自由落體運動．與傳統教學相比，智能手機傳感器的引入使物理教學更形象、更直觀、更有效率．

智能手機 傳感器 加速度計 原理 應用

1 引言

隨著智能手機的日益普及，人們生活方式發生著重大變革，也為教育領域注入了新的血液．我國高中物理課程標準明確指出：“鼓勵將電子計算機等多媒體計算應用在物理實驗中，同時提倡使用身邊隨手可得的普通物品做實驗．”[1]手機作為生活中常見的電子產品，其強大的傳感器系統尤為引得教育工作者的關注，希望以此可以取代價格不菲的DIS傳感器實驗系統．美國科學機構“i Physics Labs”正著手研究如何更好地通過智能手機來實現對物理實驗數據的采集．

筆者將通過下文對安卓智能手機中加速度計工作原理的介紹，深入分析內部彈簧-振子系統，解決手機靜止時可測重力加速度的問題．而后，結合課堂教學實例，使用加速度計進行自由落體運動．

2 手機傳感器中的加速度計

首先，為智能手機下載一個相對應的內部手機傳感器，如AndroSensor(谷歌Android系統)、SensorLog(蘋果系統)等，使傳感器軟件能夠訪問智能手機原始數據端．這里使用的是AndroSensor，其界面如圖1所示，安裝了這款軟件的手機就像一個強大的便攜式物理實驗室，其中包含了位置、加速度、重力、陀螺儀、光、磁場、聲、氣壓等傳感器.

圖1 Androsensor使用界面

手機中的加速度計是一個微小的電子機械振動系統(簡稱MEMS)[2]．物理實驗中已經大量使用DIS加速度傳感器，但這與本文所講的手機加速度計有很大區別．手機中加速度計能測量物體靜止時所受的重力加速度，而不僅僅顯示運動物體加速度．這涉及手機加速度傳感器的內部工作原理，加速度傳感器的本質就是裝在手機內部的一個彈簧-重物模型，它所測量的其實是手機內部重物的加速度．

當手機豎直放置(即手機底部接觸水平光滑桌面)，內部彈簧-重物模型如圖3(b)所示，由于重物受豎直方向的重力作用，手機中的重物相對于手機內部的中心位置發生移動，x,y軸向的彈簧都會發生形變，z軸無形變．再結合力和運動的關系，同上分析，可得到ax=0;ay=g;az=0．

因此，智能手機內的加速度計是由x,y,z軸這3個方向的彈簧系統組成，加速度計實際直接測量到的并不是重物的加速度，而是通過測量各個軸方向受到的力，反推回重物(非手機)的加速度．

圖2 手機傳感器x,y,z定位方式

圖3 手機內部彈簧-重物系統

3 研究自由落體現象

在實際物理課堂教學中，手機加速度計也有廣闊的應用空間．以研究自由落體運動為例，自由落體運動是生活中常見現象，但是對于為什么做自由落體的物體處于完全失重狀態這一問題，學生往往難以理解．傳統的實驗設備不足以測量短時間內快速運動物體的加速度變化，僅僅是讓學生去想象“電梯情景”，再通過對物體受力的分析，得出完全失重這一結論．這樣的教學方式不利于學生理解此類問題．戴爾的經驗之塔理論指出：“教育應從具體經驗入手，逐步進入抽象，有效的學習之路必須鋪滿著具體經驗．”[3]物理學的規律都是建立在實驗的基礎上，將智能手機引入課堂教學，利用手機傳感器的加速度計曲線研究極短時間內物體的自由落體運動．以下是具體的操作步驟．

在測量自由落體運動中，水平手持手機，打開傳感器的加速度計，選擇記錄數據．接著，為了防止手機在落地時被摔壞，在手機下落處放置海綿．實驗前注意調節傳感器的更新間隔，間隔時間調為“很快”．接著，釋放手機，讓手機自由下落，所測得的加速度曲線如圖4(a)所示．將手機記錄的數據連接到電腦上，學生就可以很方便對數據進行分析．

從所測得的加速度曲線可以看出，曲線a顯示為手機在豎直方向(z軸)上的加速度變化，將加速度曲線a放在坐標軸中擬合，如圖4(b)所示．

圖4

起初手機處于靜止狀態，豎直方向上受重力，加速度計在z軸所測為重力加速度，恒為g．放手后，手機做自由落體運動，此時，手機充當兩個角色，既是重物，又是測量系統，作為一個整體，重力加速度突然變為零，并在下落過程中持續為零(手機內部的彈簧-重物系統受力為零)手機此時處于完全失重狀態．此后手機落在海綿上，手機在極短時間內反復地彈起下落，加速度計所測得的示數也會有波動，在彈起時手機超重，表現為加速度圖線隨之升高；在下落時失重，加速度圖線隨之下降．之后手機停止跳動，穩定在海綿上，豎直方向上的加速度再次恒定為g．

4 結束語

面對以上清晰的加速度圖像，教師引導學生分析圖線，輕松得出物體做自由落體運動時完全失重這一結論．

將手機引入物理教學中，貼近學生生活，不僅豐富學生的實踐體驗，使實驗操作難度降低，學生容易掌握，教學過程更直觀、有效．還要求學生轉而關注數據間的物理關系和數據背后更高層次的物理分析，利用圖線反映物理規律，分析物理問題．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗稿),北京：人民教育出版社，2005

2 王躍林，蘇以撒，王文.微電子機械系統.電子學報，1995(10):37～42

3 Edgar Dale.Audio-Visual Methods in Teaching.1946

4 張丹彤.讓智能手機成為中學物理實驗教學的好幫手.物理教師，2014(11):39～42

5 張振. 巧用智能手機做物理實驗. 物理通報， 2013 (11): 72～75

6 陳雷，宋健夫，李冰，等.智能手機在中學物理教學中的應用.實驗儀器與教學，2015，32(5):27

7 Patrik Vogt.Jochen Kuhn.Analyzing free fall with a smartphone acceleration sensor.The Physics Teacher，2012(50):182～183

ThePrincipleandTeachingApplicationonIntelligentMobilePhoneAccelerometer

Yang Lei Hu Yinquan

(JiangxiNormalUniversity，Nanchang,Jianxi330022)

Smart phone sensor for physics teaching has brought new teaching methods.In this regard, the author details the working principle of mobile phone accelerometer to solve how the internal spring - heavy objects system.Then,the introduction of mobile phone accelerometer into physics teaching.Compared with traditional teaching,the introduction of smart phone sensor makes physics teaching more visual,more intuitive and more efficient.

smartphone；sensor；accelerator；principle；application

楊蕾(1992- )，女，在讀碩士研究生.指導教師：胡銀泉(1963- )，男，副教授，主要從事大學物理教學及研究.

2016-05-30)