淺談智能手機在高中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用①
——以Phyphox軟件為例

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 引言

“以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化”是《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中明確提出的要求，智能手機在物理教學(xué)中的應(yīng)用正是具體體現(xiàn)了這一要求。隨著智能手機的日益普及與發(fā)展，其強大的功能已越來越被人們所熟悉，它不僅方便了大眾的交流與溝通，也是物理教師一個可隨身攜帶的物理實驗平臺。智能手機集成了多種傳感器，如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器和磁傳感器等，結(jié)合APP軟件，可以測量壓強、磁場、加速度等，智能手機的一系列傳感器功能，為物理實驗教學(xué)提供了極大的便利。本文以Phyphox軟件為例，展示具體案例，將智能手機傳感器與物理實驗教學(xué)有機結(jié)合，展現(xiàn)智能手機引入高中物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢與魅力。

2 Phyphox軟件介紹

Phyphox是德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所基于傳感器設(shè)計開發(fā)的物理實驗手機軟件，Phyphox軟件可實現(xiàn)29種內(nèi)置功能，可用于光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、磁場等實驗。首先Phyphox可以通過訪問手機內(nèi)置的傳感器，如加速度傳感器、光傳感器、磁傳感器以及壓力傳感器等，直接測量相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，Phyphox軟件還提供了特定的實驗套件，可以研究、分析一些基本運動，如滾動、彈性碰撞、圓周運動、彈簧振動等。此外，還提供了一些實用工具，如秒表、音頻發(fā)生器、角度測量儀等，可供使用者在物理實驗中使用。在使用過程中，Phyphox軟件會以數(shù)字或圖像的形式顯示測量結(jié)果，并可以導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)，方便使用者對結(jié)果進行進一步分析、處理。

3 案例分析

本文將介紹基于Phyphox軟件開展的三個力學(xué)實驗，分別為驗證性實驗、探究性實驗和測量性實驗，幫助學(xué)生從實驗中清晰地認(rèn)識相關(guān)物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，形成科學(xué)認(rèn)知以及對物理學(xué)習(xí)的興趣，顯現(xiàn)智能手機傳感器在物理實驗教學(xué)中的優(yōu)勢與特色。

3.1 驗證性實驗：超重與失重

加速度是高中物理中最重要的概念之一，同時也是學(xué)生較難理解的概念，教材中有關(guān)加速度的相關(guān)實驗比較陳舊，難以激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生對加速度的理解也往往停留于表面。而“超重與失重”是學(xué)生嘗試用牛頓運動定律解決問題時碰到的物理現(xiàn)象，可以利用Phyphox中的加速度傳感器功能驗證超重與失重過程中加速度的特點，進而加深對加速度概念以及超重與失重現(xiàn)象的理解。

3.1.1 下蹲、起立中的超重與失重

打開Phyphox中的Acceleration(without g)，會發(fā)現(xiàn)它可以同時測量x、y、z三個方向的加速度，并可以用圖像顯示大小變化。我們只需要研究豎直方向(z方向)，所以只要學(xué)生拿著手機，先下蹲，過一小段時間再起立，重復(fù)此過程，便可得到如圖1所示的曲線。在實驗過程中，我們需要將手機屏幕朝上，保持水平和穩(wěn)定，且下蹲與起立過程不宜太快。

圖1

從圖1中可以看到下蹲過程中(用下劃線標(biāo)注部分)加速度先為正后為負(fù)(定義豎直向下為正方向)，即加速度方向先向下后向上；同理，起立過程中(未畫線部分)加速度方向先向上后向下。學(xué)生根據(jù)牛頓第二定律的相關(guān)知識，進行分析可以得出結(jié)論：下蹲過程中，先失重后超重，而起立過程中，先超重后失重。

3.1.2 電梯中的超重與失重

讓一名同學(xué)站立在電梯中，采用同樣的方法，便可以記錄電梯在上升和下降過程中的加速度變化情況。

圖2

如圖2所示，電梯在上升過程中先超重后失重。

圖3

如圖3所示，電梯在下降過程中，先失重后超重。同時我們還可以看出，我們乘坐電梯的加速度大小最大值在0.5m/s2左右。教師還可以引導(dǎo)學(xué)生通過課后查閱資料，了解國標(biāo)下電梯的運行參數(shù)，檢驗電梯運行是否正常。

這兩個實驗，既強化了學(xué)生對加速度矢量性的理解，也可以通過親身體驗，清晰地看到在下蹲、起立過程以及電梯運行過程中加速度的變化情況，加深了對加速度概念的理解，結(jié)合牛頓第二定律，幫助學(xué)生理解超重、失重時的加速度變化特點。這種新穎的實驗教學(xué)方式，可以幫助突破知識難點，提升學(xué)生的興趣與探究能力。

3.2 探究性實驗：彈球運動

彈球落地反彈的運動是高中物理實驗探究的熱點問題，比如“球落地反彈的高度是否為原來的一半”的問題、球落地反彈過程中的能量變化問題等。借助Phyphpx中的“(In)elastic collision”，即(非)彈性碰撞功能，就可以方便快捷地記錄下彈球落地反彈的每一次的高度、時間間隔以及能量變化情況，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進行分析，幫助學(xué)生對彈球落地反彈的相關(guān)物理概念與知識形成清晰的印象。

3.2.1 彈球運動的高度變化

圖4

打開“(In)elastic collision”，將一個乒乓球從一定高度落下，手機麥克風(fēng)會接收并記錄兩次掉落地面的時間間隔，并自動計算出乒乓球最初的釋放高度以及每次反彈高度。實驗過程中，要保證實驗環(huán)境的安靜，否則會影響時間間隔的記錄。乒乓球的高度、撞擊次數(shù)與時間間隔數(shù)據(jù)如圖4所示，由圖4中數(shù)據(jù)可以看出，乒乓球每一次反彈的高度顯然不是原來的一半。

同時，教師可以根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，編制習(xí)題，如已知反彈高度h和兩次撞擊的時間間隔Δt，要求學(xué)生計算出自由落體加速度，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與分析能力。利用五次撞擊的數(shù)據(jù)，例如，第一次和第二次撞擊的時間間隔是0.333s，反彈高度是13.59cm，計算得自由落體加速度g=9.80m/s2。

3.2.2 乒乓球運動過程中的能量變化

由圖5可以看出，乒乓球每次撞擊都會有一定的能量損失，平均每次保留的能量大約是原來的85.6%。這里可以結(jié)合人教版高中物理必修2第七章的“機械能守恒定律”來進行相關(guān)的分析與講解，引導(dǎo)學(xué)生觀察數(shù)據(jù)，分析乒乓球落地反彈過程中的能量變化情況。首先，在下落過程中，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，小球撞擊地面形變恢復(fù)過程中，彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，上升過程中，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能；其次，乒乓球彈起的高度越來越低，說明了乒乓球在運動過程中，機械能越來越小。經(jīng)過親自動手實驗，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也強化了能量轉(zhuǎn)換的相關(guān)認(rèn)識。

圖5

學(xué)生還可以進行課后實驗拓展，利用不同材質(zhì)的彈球進行實驗對比，例如玩具彈球、金屬小鋼球等，觀察不同彈球同一起始高度、相同彈球不同起始高度在撞擊桌面后反彈的高度以及能量變化的情況，提升學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、科學(xué)探究能力。

3.3 測量性實驗：測定自由落體加速度

圖6

實驗方案如下：如圖6所示，在氣球下吊一彈球，用針戳破氣球，氣球爆炸的那一瞬間即可為彈球開始下落的時間。在實驗過程中要盡量減小回聲的影響，同時要設(shè)置Threshold(聲音觸發(fā)閾值)使其高于環(huán)境噪聲級。實驗數(shù)據(jù)如表1所示，彈球的下落高度h=1.1m，最后計算可得自由落體加速度的平均值為g=9.68m/s2，南京當(dāng)?shù)氐淖杂陕潴w加速度值為9.795m/s2，測量的相對誤差為1.17%。

表1

4 結(jié)語

智能手機傳感器軟件的出現(xiàn)與發(fā)展，突破了傳統(tǒng)物理實驗的限制，學(xué)生擁有一部智能手機，就相當(dāng)于擁有了一套便攜的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，可以隨時隨地進行物理實驗探究，給學(xué)生提供了更大的自主學(xué)習(xí)空間，學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好，積極思考，勇于實驗，開拓思維空間，促進創(chuàng)新能力、思考能力、動手能力等的發(fā)展。我們要關(guān)注智能手機等信息技術(shù)產(chǎn)品對學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)環(huán)境的影響，充分利用、開發(fā)它們的功能，以服務(wù)于物理教學(xué)，只有這樣才能使其成為學(xué)生發(fā)展的助推器，真正在物理教學(xué)中發(fā)揮作用，達成培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)。