基于手機傳感器的動摩擦因數實驗

李學智

摘?要：隨著智能手機的普及，手機傳感器逐漸被應用到物理實驗教學中.以動摩擦因數的測量為例，介紹手機傳感器在物理實驗教學中的應用.

關鍵詞：物理實驗;動摩擦因數;智能手機;手機傳感器

文章編號：1008-4134（2020）11-0055中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

動摩擦因數是高中階段一個比較重要的物理量，關于動摩擦因數的測量教材并沒有介紹，高考考綱對此也未作要求，但近年高考試題中關于測量動摩擦因數的實驗時常出現.一些一線教師雖對測量動摩擦因數的實驗進行研究、總結[1-3]，但無論是從力的角度設計實驗還是從能量的角度設計實驗，基本上都采用傳統的實驗手段.本文以動摩擦因數的測量為例，介紹手機傳感器在高中物理實驗教學中的應用.

1?實驗原理

如圖1所示，將手機和木塊視為一個整體，設其總質量為m，調節斜面傾角α，使木塊和手機可沿斜面加速下滑，加速度為a.

由牛頓第二定律可得?mgsinα-f=ma（1）

由平衡條件可得?FN-mgcosα=0（2）

又?f=μFN（3）

聯立（1）（2）（3）可得?μ=gsinα-agcosα（4）

實驗時，通過手機Phyphox軟件測量本地重力加速度g、斜面傾角α及木塊下滑時的加速度a，即可得到木塊與斜面之間的動摩擦因數μ.

2?實驗裝置及步驟

如圖2所示，完成本實驗需要裝有Phyphox軟件的智能手機、長木板、小木塊、紙箱及雙面膠.

（1）將手機水平置于桌面，打開手機Phyphox軟件，選擇“含（g）的加速度”，點擊開始鍵，可測得本地重力加速度g=9.83m/s2（如圖3所示）.

（2）將長木板平放在水平桌面上，小木塊置于長木板上，用紙箱將長木板的一端墊高，使小木塊能沿長木板下滑.

（3）用雙面膠將手機固定在小木塊上，打開Phyphox軟件，選擇“斜面”，點擊開始鍵，測得長木板的傾角α=19.12°（如圖4所示）.

（4）選擇“加速度（不含g）”，點擊開始鍵，釋放小木塊，記錄小木塊運動過程中的加速度a=0.68m/s2（如圖5所示）.

（5）移動紙箱的位置以改變長木板的傾角，重復（3）、（4）的實驗過程，可獲得多組數據，并將數據填入表1.

3?數據處理及分析

利用（4）式可求得木—木間的動摩擦因數，測量值見表2.

人教版課本中給出木—木間的動摩擦因數為0.3，但由于實驗中所使用的小木塊表面涂有清漆，使得動摩擦因數的測量值偏小.若將小木塊換成鐵塊、書本或將長木板換成玻璃板、鋼板等不同材料，根據同樣的辦法即可測量不同材料之間的動摩擦因數.

為了獲得準確的實驗數據，在測量小木塊加速度時應選擇“定時運行”，設置啟動延時和實驗時長，以獲取小木塊穩定下滑過程的加速度，且隨著長木板傾角的增大，啟動延時和實驗時長的數值應逐漸減小.

4?結束語

加快信息化時代教育變革是《中國教育現代化2035》的任務之一.但信息化的實驗設備在鄉鎮學校甚至一些縣城學校都還未普及，然而高中生中智能手機幾乎人手一部，結合一些手機APP軟件合理利用智能手機中的傳感器開展實驗教學，以教育信息化帶動教育現代化，是實現教育現代化的一種有效途徑.

利用智能手機中的傳感器設計物理實驗不需要專門的實驗設備，如探究超重與失重[4]、自由落體運動、蹦極[5]、單擺周期和擺長的關系[6]、驗證向心加速度與角速度的關系[7]等，使得物理實驗生活化，實驗探究常態化，有利于提高學生的科學探究能力，是落實物理學科核心素養的一種有效方法.

近年來因手機引發的各種校園沖突事件時常發生，智能手機對學生身心及學業的影響已經引起人們的普遍關注，不同學校根據實際情況制定手機管理規定，但“堵”不如“疏”，引導學生合理利用智能手機進行物理實驗探究，使學生由玩“機”喪志轉變為玩“機”激趣，這也是提高學生學習興趣的有效策略.

參考文獻：

[1]鄭行軍.測動摩擦因數的實驗命題設計研究[J].物理之友，2017，33（04）：33-34+36.

[2]王春旺.測量動摩擦因數的六種實驗方案和典例分析[J].中學物理教學參考，2013，42（03）：68-72.

[3]張波.綜述測量動摩擦的四種方法[J].中學物理教學參考，2011，40（10）：6-7.

[4]丁彥龍，馬廣平，付靜.基于手機加速度傳感器的高中物理實驗教學探索[J].中學物理，2019，37（05）：30-32.

[5]康賢明.借助Phyphox軟件用手機做物理實驗[J].物理之友，2019，35（03）：36-37+39.

[6]糜雪.淺談智能手機在高中物理實驗教學中的應用[J].物理之友，2019，35（08）：40-42.

[7]惠宇潔.智能手機在物理實驗教學中的應用探討[J].物理教學探討，2018，36（07）：70-72.

（收稿日期：2020-01-01）