借助Phyphox軟件 用手機做物理實驗

(福建省泉州市城東中學,福建 泉州 362000)

現在的智能手機除了常用的麥克風、揚聲器、相機、GPS，還自帶很多豐富的傳感器,如：壓力、光、加速度、濕度、磁力、距離、重力、溫度傳感器等。亞琛工業大學第二物理研究所開發的手機傳感器APP——Phyphox,充分利用了一些通用傳感器,開發了很多物理實驗。本文簡單介紹該APP的使用,然后介紹幾個借助Phyphox做的物理實驗,供同行參考。

1 實驗前的準備

圖1

圖2

安裝Phyphox軟件到手機上，軟件打開頁面如圖1所示。第一欄為Raw Sensors(原始傳感器)菜單,有加速度(不含g)、加速度(含g)、陀螺儀、亮度、位置、磁力、壓力傳感器，再往下為聲學傳感器菜單,還有已經開發好的力學類和工具類實驗項目。點擊菜單Acceleration (withoutg)進去后如圖2,點擊小三角形按鈕,程序開始運行。第二個按鈕是“刪除”按鈕，第三個按鈕是“更多選項設置”,點擊后,彈出菜單欄如圖3所示，在選項Allow remote access方框中打勾,下方彈出地址http://192.168.3.3:8080,在電腦瀏覽器菜單欄中輸入地址,這樣可以在電腦上控制手機的軟件，保存實驗數據。若變換傳感器,遠程控制必須重新設置,電腦端彈出對話框確認后才能再次控制。

圖3

2 用加速度傳感器做的實驗

加速度傳感器有Acceleration(withoutg)和Acceleration withg,只提供加速度測量的原始數據。二者的區別是第一個不包含重力加速度g,手機靜置時的加速度顯示為0,第二個包含重力加速度,手機靜置時加速度顯示值當地重力加速度值(如圖2),輸出數據會顯示三個方向的加速度,X方向為手機長度方向,Y方向為手機寬度方向,Z方向為與手機面垂直方向。下面列舉幾個Acceleration的應用實例。

2.1 研究超重失重

人站立,手機平放在手上,打開軟件,點擊Acceleration(withoutg)運行按鈕,下蹲,過一會再站起來。顯示數據如圖4所示,由于手會晃動,X軸和Y軸方向也有加速度,我們只分析Z軸方向,下蹲過程中加速度先為負值,后為正值,表示加速度先向下后向上,即手機先失重后超重;站起來的過程中加速度先為正后為負,表示加速度先向上后向下,即手機先超重后失重。還可以將手機平放在電梯中的水平面上,讓電梯上升或下降,利用加速度傳感器就可以自動記錄電梯的加速、減速過程。

圖4

2.2 研究自由落體運動

在地上放一塊軟墊,手機平放在手上離軟墊一定高度,打開軟件,點擊Acceleration withg運行按鈕,放手,手機下落到軟墊上。截取Z軸的數據如圖5,容易看出放手前Z方向加速度約為9.8m/s2,下落過程中Z方向加速度為零,說明自由落體過程中手機處于完全失重狀態。落到軟墊上加速度突然增大后減小為9.8m/s2左右。

圖5

2.3 研究蹦極

將長橡皮筋一端固定在豎直墻面上,另一端與手機長端中點連接牢固,將手機拿到與橡皮筋固定端等高的位置(手機面與墻面平行),打開軟件,點擊Acceleration withg運行按鈕,由靜止釋放手機。截取Y軸的數據如圖6。放手前Z方向加速度約為9.8m/s2,下落過程中Z方向加速度為零,說明自由落體過程中手機處于完全失重狀態,橡皮筋繃緊后加速度逐漸增大,增大到最大后又減小。

圖6

3 用陀螺儀傳感器做的實驗

Gyroscope(陀螺儀)傳感器會給出陀螺儀的原始數據,角速度以rad/s為單位記錄。軟件還利用陀螺儀傳感器開發了兩個實驗:Centripetal acceleration(向心加速度),使用陀螺儀和加速度計探測加速度和向心加速度的關系;Pendulum(擺),利用陀螺儀傳感器可測量單擺的頻率,從而測定重力加速度。

3.1 利用單擺測重力加速度

將細繩一端固定在豎直墻面上,另一端固定在手機上,讓手機面與墻面平行,做成一個擺。打開軟件,下拉菜單找到Mechanics下的Pendulum,讓手機偏離平衡位置一個小角度,點擊運行按鈕,放手后,軟件會根據陀螺儀測量的數據自動記錄單擺的周期和頻率。軟件設置了幾個功能,其中RESULTS欄目可以反饋單擺的周期和頻率;在G欄目中可以輸入擺長,系統會自動計算重力加速度g;在LENGTH欄目中,默認g值為9.81m/s2,系統就會自動計算出擺長。注意測量擺長時,應從懸點的位置測量到手機的中心。實驗數據如圖7、8所示。

圖7

圖8

3.2 研究向心加速度與角速度的關系

將手機固定在一旋轉裝置上,打開軟件,下拉菜單找到Mechanics下的Centripetal Acceleration,點擊進入后在“設置”中設置遠程控制,在電腦瀏覽器中輸入地址,讓旋轉裝置旋轉起來,點擊“開始”按鈕,裝置轉一段時間后點擊“暫停”按鈕,系統自動記錄了向心加速度和角速度,并畫出角速度與加速度的關系圖線以及角速度的平方與加速度的關系圖線(如圖9)。容易看出：向心加速度a與角速度ω的平方成正比,由此可以驗證向心加速度的公式a=ω2r。改變手機的旋轉半徑,重復上述實驗,則得到的a-ω2圖像的斜率不同。

圖9

4 結語

智能手機作為現代通信工具是把雙刃劍,有學生會迷戀手機游戲,所以很多學校干脆禁止學生帶智能手機到校。若能結合高中物理教學實際,借助Phyphox軟件將手機應用到物理實驗教學中,引導學生正確使用手機,定能激發學生的學習興趣,合理使用手機。