phyphox軟件介紹及其在物理教學中的應用

何 璐 祖米熱姆·伊馬木

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

方 偉

(上海師范大學數理學院 上海 200234;上海市星系和宇宙學半解析研究重點實驗室 上海 200234)

phyphox基于智能手機所含有的傳感器創建了輔助物理實驗的工具箱，它突破了傳統傳感器操作位置的局限，拓展了物理課外實驗的范圍，且有成本低、方便實用的優點.phyphox軟件已逐漸融入物理教學，為物理教學提供了新穎的測量工具.

phyphox是由德國亞琛工業大學在2016年發行的一款手機應用軟件，安卓設備和IOS設備均可下載，phyphox全稱“physical phone experiments”，包含：加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀(旋轉傳感器)、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器,最新設備還有溫度、濕度傳感器.目前可實現29種內置功能，如加速度、角速度、光照強度、磁場強度、壓力和聲音的振幅、頻率、周期等基本物理量的測量[1].除phyphox外，還有其他類似的物理實驗工具箱，例如Physics Toolbox Suite Pro,AndroSensor,Sparkvue等[2～4]，這些應用均提供了免費的數據分析工具.本文擬就phyphox的功能、前景及其在物理教學中的應用進行介紹.

1 phyphox功能

phyphox不僅包含單獨傳感器還有基于傳感器而開發的實用工具，如秒表(聲學秒表，運動秒表、光學秒表)、角度測量儀、音頻發生器等.phyphox軟件還對傳感器進行了模塊整理，如轉動、滾動、單擺、彈性碰撞、彈簧振動等多種基本運動，另外phyphox軟件還設置了生活小實驗，方便學生從生活中發現物理的奧秘.例如，電梯實驗[5].phyphox不僅能通過圖形或數字的方式呈現原始數據，還可以配合自制教具定性測量有關物理量，應用程序還提供遠程訪問功能，這允許計算機遠程控制phyphox軟件，無需操作用于做實驗的智能手機.

phyphox應用程序的另一大優勢是可創建自己的“ 實驗室”.自行編寫整個實驗，這為教師創建全新更復雜的實驗提供了契機.教師可對不同知識水平的學生制定不同的學習目標；同時這也是更改實驗參數的好方法，例如臨界值和最小延遲.該應用程序的wiki網頁能幫助新手用戶快速了解phyphox軟件的具體內容，官方網站為https://phyphox.org/[6].

2 phyphox內容簡介

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器是通過手機的坐標系分別在x,y,z軸的位移變化來測量物體運動的加速度.phyphox中的加速度傳感器還能獲得傳統方法不能獲得的諸如x,y,z方向運動情況的信息，手機在振動過程中有可能出現不同方向的微小振動，因此加速度傳感器清晰記錄所有方向的數據有助于學生研究主要方向上的加速度.

例如教師和學生利用加速度傳感器探究關于彈簧振子的實驗[7]：取一根彈簧，其上端用一細線固定于支架上，下端與智能手機連接，因此形成一個豎直方向上的彈簧振子.打開手機phyphox中的Acceleration(without g), 這里需注意，它在靜止時顯示加速度為零.加速度傳感器還可測量重力加速度，在phyphox中，Spring(彈簧)利用彈簧測量重力加速度[8]，也可探究彈簧阻尼問題，Spring相比單獨加速度傳感器還可測量出彈簧振子的頻率.

2.2 壓強傳感器

智能手機壓強傳感器可測量電梯速度和高度，學生也可以探究電梯中失重和超重的壓力與合加速度物理規律,同時也能測量飛行無人機的垂直速度[5].學生根據智能手機感應的氣壓值推導出高度從而得到加速度和速度值.除了壓強之外，加速度計記錄加速度值進行數值積分，也可獲得垂直速度和高度.但通過實驗發現，用加速度傳感器獲得加速度與實際參考值還是有非常大的差異.首先因為數值積分累積誤差，其次是重力加速度導致高度計算明顯存在不確定性.通過數據對比，壓強傳感器比加速度傳感器更加精確，同時壓強傳感器也優于GPS，因為這種傳感器在室內不接收衛星信號.壓強傳感器不僅在力學、流體力學有所應用，一定條件下，還可以作為氣壓計測量熱力學中的物理量.

2.3 旋轉傳感器

智能手機phyphox軟件中的Gyroscope(陀螺儀)，Centripetal acceleration(向心加速度)，Roll(滾動)都具有旋轉傳感器.在傳統的教學中，實驗上總是很難測量角速度、向心加速度，但phyphox可以測量x,y,z軸的角速度和絕對角速度.Centripetal acceleration(向心加速度)可直接測量出角速度和角加速度之間的數量關系：a=ω2r.學生利用小區公園的轉盤、轉椅或游樂園的娛樂設施等環境可驗證向心力[9]，雖然存在各種系統誤差，但phyphox在學生課外實踐中的定性使用無疑加深了學生對抽象概念的理解.

2.4 聲音傳感器

phyphox程序中聲音傳感器可以測量音頻的振幅、單音的頻率、音頻信號的頻譜、聲納和多普勒效應，還有單獨的音頻發生器.聲學秒表可測量彈性碰撞的損失、自由落體的時間和高度等.初中生可利用兩部智能手機測量聲速，兩部手機的作用是音頻發射器和接收器[10].“多普勒效應”的測量是由于多普勒效應引起的信號發生器到手機感應器頻率的變化和相對速度[11].

2.5 磁場傳感器

智能手機有磁場傳感器，應用程序phyphox中有3個測量與磁場相關物理量的程序，分別是Magnetometer(磁力計)、Magnetic Spectrum(磁場頻譜)、Magnetic ruler(磁性尺).磁力計非常靈敏，手機開發者正是利用磁力計做指南針.但磁力計很容易受手機磁化的影響，因此phyphox軟件會不斷重新校準磁場傳感器來消除影響.磁性頻譜顯示磁力計數據中頻譜和頻率的峰值，如果提供波譜的樣本數量較高，分辨率就高，頻率會更精準.頻率最大值實際是由傳感器的采集速率決定，因此頻譜很大程度上取決于智能手機本身.

磁性尺不是單獨的實驗，而是一種工具，主要測量位移和速度.首先需要設置一條路徑，在固定的間隔放置幾個磁鐵，并測量出磁鐵之間的距離，在做實驗之前輸入到程序中，phyphox通過磁力計測量出智能手機通過磁鐵的頻率，通過計算可得到間隔的位移和平均速度.學生可以利用這個工具設計實驗，例如測量玩具火車速度[12].

2.6 光傳感器

phyphox應用軟件中的光傳感器是從手機的環境光獲取原始數據，但是在一些設備中，光傳感器并不是非常靈敏，教師和學生可用光傳感器驗證朗伯比爾定律——分光光度法的基本定律[13]，是描述物質對某一波長光吸收的強弱與吸光物質的濃度和其液層厚度間的關系.但是phyphox只能測量光照強度，需要學生導出光照強度數據到Excel中，然后輸入液體濃度數值得出關系圖.學生還可以測量不同物體光透射率，被透射的物體可以是透明體和半透明體，通常用透過后的光通量與入射光通量的比表示為光透射率.

phyphox應用包含的傳感器原理及實驗如表1所示.

表1 phyphox應用原理及實驗

3 phyphox應用舉例及其前景展望

此節我們給出一個phyphox軟件的直接應用和具體教學案例，在此基礎之上，對phyphox軟件在物理教學中的前景進行展望.

3.1 教學案例：用手機測量重力加速度實驗

(1)實驗器材：一根不可伸長的輕繩、支撐手機的紙盒、一部智能手機、另一臺遠程操控的電腦或手機.

圖1 phyphox單擺實驗操作

(2)實驗操作：為了讓手機在擺動過程中自身不發生旋轉，用紙盒固定手機并在四角系上繩子，如圖1所示，用卷尺測量支點到手機質心的距離，將此值作為擺長輸入到手機中，手機懸掛時phyphox也能間接測量擺長，作為參考.打開phyphox中Pendulum(單擺)，點擊允許遠程訪問，下方出現訪問網址，在另一部手機或電腦輸入網址，在Timed Run設置初始延遲3 s，持續時間10 s.點擊開始，讓手機小幅度的擺動，注意不要讓手機掉落或者碰撞到其他的物體上.最后保存實驗數據.

(3)分析：phyphox會在實驗期間記錄手機的角速度.圖像近似正弦函數，在擺動運動的最低點處有極大值(最大絕對角速度)，第一極大值到第二極大值計算作為一個周期，其倒數作為振動頻率.控制擺動較小的角度，由周期方程計算得到重力加速度.

phyphox單擺實驗數據截圖如圖2所示.

圖2 phyphox單擺實驗數據

3.2 phyphox在物理教學中的前景展望

(1)使得教學空間更加廣闊

智能手機用在學生學習上的時間少之又少，但物理工具箱的應用可以讓智能手機成為學生學習的伙伴.學生可在家中娛樂時設計并進行物理實驗，這不僅能激發學生的創新細胞，增加學生的物理學習動機，也能提升學生在物理學習中的自我效能感.因為實驗環境不局限于學校的DIS實驗，教師的實驗教學方式也可以發揮更多的創新空間，教師可以讓學生在課余時間設計并完成許多小實驗，加深學生對物理現象的理解，也能讓學生對數據更加敏感，這能提升學生獲取信息的能力，教師可以在實驗課堂中增加討論分析實驗的時間，給物理實驗教學提供催化劑.

(2)使得實驗數據處理更加便捷

在用phyphox做實驗時，實驗結果以數據或圖表的形式實時顯示，清晰明了，可根據需要遠程傳輸在電腦上顯示或保存實驗頁面，有利于不同實驗進行對比分析，簡單的數據處理過程減少了數學對學生的干擾，可讓學生關注物理本身.學生可以大膽地進行猜想實驗，分析實驗，能促進學生對物理的理解.

(3)使得教學創新更加凸顯

智能手機phyphox App給學生和教師提供了更大的物理實驗平臺，還可以由用戶創建新的實驗平臺.學生和教師可用一個或多個傳感器設計實驗，從研究問題的多角度進行分析、設計實驗，這能充分挖掘學生和教師的創新潛能.比如聲音傳感器不僅可以測量有關聲音的變量，還可以轉換的方法間接測量運動物理量，phyphox中Acoustic Stopwatch(聲音秒表)利用落球與地面發生的幾次碰撞的聲音測出球每次的時間差和損失率，再由此計算出球的高度，可分析彈性碰撞的勢能變化、機械能的損耗值等.這樣的數據信息可以提升學生的學習自主性和探究能力.

4 總結

本文對phyphox進行了詳細的介紹，并對其在物理教學中的應用進行了分析.在學科核心素養的導向下，“以學為中心”的物理探究實驗有助于學生學習科學知識，形成正確的物理觀念，習得科學方法，培養科學思維并感受崇高的科學精神.翻轉課堂、STEM教育、微課、慕課等現代教育模式體現了以學為中心的理念，也為物理探究實驗的新模式提供了空間，phyphox等實驗工具箱App的開發更為課外探究實驗、研究型學習提供了有效手段，它的應用前景十分廣泛.除此之外，phyphox新版本不僅引入了新功能并對其中程序進行修復(如增添了交互式圖形、條形圖、用于光譜實驗的彩色圖等)，并且還增加了中文的翻譯版本，具體見https://phyphox.org/news/phyphox-chinese/.另外，教師也需了解phyphox此類軟件的弊端和不足.首先是在實驗開始前，需用phyphox測量周圍環境對實驗數據的影響，手機本身的性能也對實驗數據造成誤差，因此phyphox只能做半定量或比較粗糙的定量測量；其次phyphox此類軟件只為教學做輔助作用，教師需依據教學內容特點進行合理利用.