基于手機傳感器的物理實驗教學研究
——以探究合外力做功與動能變化量的關系為例

丁彥龍 付靜 曹怡 袁世明 曾宇虹

(成都市鹽道街中學 四川 成都 610000)

1 引言

物理學是一門以實驗為基礎的科學，實驗探究是高中物理核心素養的重要組成部分，高中物理中很多概念的建立、規律的探索與應用都與實驗探究密不可分[1]．

隨著智能手機和移動互聯技術的快速發展，手機傳感器、手機APP作為新興技術，開拓了物理實驗教學的新思路．一些難于測量、不便觀察、效果不明顯的難題得到了很好解決，同時提升了課堂教學中學生的體驗感和創新意識[2]．

根據《普通高中物理課程標準(2017年版)》編寫，增加了“用手機傳感器測加速度”的活動．目的是讓學生從手機加速度傳感器測出的曲線直觀地認識物體的運動，培養學生的動手操作能力和學生的團隊活動精神．本文重點介紹手機加速度傳感器的使用方法，和小組實驗探究過程，為教師的實際教學過程提供參考．

2 智能手機傳感器

智能手機有多種傳感器，可以檢測加速度、光、聲、磁場、力等各類非電信號，對周圍環境的力、熱、聲、電磁等物理量進行從簡單到復雜的測量，并轉化成電信號，供實驗者分析[3]．實驗借助加速度傳感器軟件(Accelerometer)探測3個方向(x,y,z)的加速度隨時間的變化關系，軟件工作界面如圖1所示，手機傳感器x,y,z定位方式如圖2所示.本實驗設置f=20 Hz，本實驗加速度的方向沿z方向．

圖1 加速度傳感器軟件工作界面

圖2 手機傳感器x,y,z定位方式

3 利用手機加速度傳感器開展實驗探究

3.1 實驗裝置與原理

圖3 驗證合外力做功與動能變化量的關系實驗裝置

3.2 實驗步驟與實驗結果

實驗中滑塊的質量為206.4 g，手機的質量為144.6 g，光電門的寬度d=3 cm．按照圖3安裝好實驗裝置，在細線的一端掛25 g的鉤碼，依次打開光電門、氣泵和加速度傳感器(Accelerometer)．圖1是手機加速度傳感器的工作界面，實驗時將Refresh rate調節到20 Hz,點擊Settings，將Remove Gravity開啟，打開Start measuring記錄開關，同時將滑塊由靜止釋放．滑塊依次經過兩個光電門，得到加速度隨時間變化的圖像如圖4所示，導出勻加速階段加速度的3組數據分別為0.354 m/s2，0.362 0 m/s2，0.354 m/s2,求出平均值為0.358 m/s2．記錄滑塊通過兩個光電門的時間分別87.3 ms，43.36 ms，求出所對應的速度分別是0.344 m/s，0.692 m/s，根據之前的實驗原理得到合外力做功為0.358mJ，滑塊和小車動能的變化量為0.361mJ．在實驗誤差允許的范圍內合外力做的功近似等于小車和滑塊動能的變化量．

圖4 加速度隨時間變化圖像

為了讓實驗結果更具普遍性，按照以上的操作，在細線的一端掛分別掛50 g，75 g，100 g的鉤碼得到加速度隨時間變化的圖像，導出加速度和滑塊經過光電門的時間如表1所示．通過表1可以看出在4種不同的情況下所得到的合外力做的功與滑塊和手機動能的變化量近似相等．

表1 驗證合外力做功與動能變化量的關系實驗數據

傳統的實驗是當小車的質量遠大于鉤碼的質量的情況下，鉤碼的重力近似等于合外力，這樣實驗誤差較大，在具體實驗操作時很難做到小車的質量遠大于鉤碼的質量．本次實驗采用手機加速度傳感器測量滑塊和手機運動的加速度，加速度乘以質量就是所受到的合外力，不僅讓學生了解到了傳感器在物理實驗中的應用，操作方便，而且降低了實驗誤差，激發了學生學習的積極性．

4 結束語

智能手機的快速發展助推了教育技術的革新，正改變著廣大教師教育教學的手段與思路．用手機傳感器探究加速度與力、質量的關系的實驗，實驗誤差較小，圖像清晰，可操作性強．在實驗過程中包括數據的采集與處理、圖像的認識等鍛煉了學生分析問題、提取數據的能力．除了智能手機傳感器，還有很多應用APP，如根據拍攝物體運動視頻，分析物體位置、速度、加速度的軟件Video Physics ，智能手機物理虛擬實驗室，手機制作微課的APP“微課寶”、Course maker等．隨著5G技術的實現，智能手機在教學中的應用將會更加廣泛，以智能手機為代表的移動終端將會引領教育教學的發展潮流．