利用智能手機進行微小形變觀察實驗

黃少楚 王笑君

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

物理教學中，微小形變的演示實驗可以形象地說明力的作用效果[1]．在高中物理教科書中介紹了以光放大法為原理的微小形變演示裝置，讓學生感性地“看”到微小形變．

而近年來，伴隨著技術的發展，一些精巧的傳感器被搭載于智能手機上并且能夠實現精準快速的數據測量和顯示．同時，智能手機也逐漸地在學生群體內普及．因此，目前智能手機被廣泛運用于物理教學實驗中，逐漸成為一種實驗的工具與激發學生興趣的方式[2]．本文使用智能手機中的phyphox軟件作為輔助軟件，探討智能手機在微小形變觀察實驗中的用途與效果，期望能為微小形變實驗的觀察提供一種新的思路以及為學生課外探究活動提供一個新的方案．

1 實驗方法和過程介紹

phyphox是一款可以實時測量加速度、光強、角速度、磁感應強度等物理量的傳感器套件，能進行數據的測量與分析[3]．在本次實驗的過程中，使用智能手機的phyphox軟件來運行傳感器從而進行實驗．圖1為軟件的界面圖，下文的實驗涉及到了軟件當中的Gyroscope功能、Acceleration(without g)功能、Magnetometer功能，分別對應角速度測量、加速度測量、磁感應強度測量．接下來的內容將逐步介紹實驗的方法和過程．

圖1 phyphox軟件界面圖

1.1 利用角速度測量功能探測微小形變

軟件中的Gyroscope功能利用的是手機內部的角速度傳感器，可以對手機發生的微小轉動實現快速精確的反應與信號捕捉．一旦手機在左右方向或者上下方向出現了微小的方向轉動，傳感器便會快速感應出變化的過程，做出反應[3]．

如圖2所示，實驗的過程中將智能手機固定在桌子的表面上，圖中A為智能手機．實驗前，打開phyphox軟件中的Gyroscope功能，點擊至“ABSOLUTE”的統計界面，隨后啟動統計并按壓桌子．

在手機旁按壓桌子的過程中，桌面發生微小的形變使得手機的位置相比于按壓前發生了微小的轉動變化，因此手機中的角速度傳感器便可以快速針對桌面的微小形變做出反應并且反饋數據圖像．而為了盡可能避免手按壓速度以及其他因素帶來的影響，本次實驗需先將手輕輕放置在桌子上，隨后再分別使用不同的力度均勻有序地按壓．

圖2 探測微小形變實驗裝置示意圖

圖3為軟件所獲得的“角速度-時間”曲線圖像．每當實驗者在桌板的上方有序均勻地按壓桌子使桌子發生微小形變時，曲線圖像會出現一道明顯的峰值．本次實驗過程進行了4次不同力度的按壓，可以觀測到圖像有4個明顯的峰值，且峰值隨著按壓力度的增大也會相應地增大．由于手機的感應十分迅速，因此圖像的變化和人手的按壓是同步的，能夠很好地保證實驗的效果．

圖3 角速度傳感器采集的數據圖樣

1.2 利用加速度測量功能探測微小形變

軟件中的Acceleration(without g)功能利用的是手機內部的加速度傳感器，可以精準快速地探測手機加速度的變化，對手機發生的微小移動做出快速精確的反應與信號捕捉[3]．

實驗的過程中，將手機按照圖2所示放置，打開軟件的Acceleration(without g)功能，點擊至“ABSOLUTE”的統計界面，使其靜止時顯示加速度約為零．隨后，啟動統計功能并在手機的一旁按壓桌子．與上文1.1所述實驗類似，為了盡可能避免手按壓速度以及其他因素帶來的影響，實驗時需先將手輕輕放置在桌子上，隨后再分別使用不同的力度均勻有序地按壓．

圖4為軟件所獲得的“加速度-時間”曲線圖像．實驗測量時共使用不同的力度按壓桌子4次，每次按壓均使得圖像出現了一次明顯的峰值，且峰值隨著力度的增加而逐漸增大．由此可以看出，該功能亦可以實現對微小形變的快速反應與顯示．

圖4 加速度傳感器采集的數據圖樣

1.3 利用磁感應強度測量功能探測微小形變

智能手機phyphox軟件的磁感應強度測量功能可以對手機周圍的磁場進行快速精確的測量并且能通過曲線圖反映周圍磁場的變化[3]．在該實驗中，需要利用一塊強磁鐵輔助．每當強磁鐵發生微小的移動，周圍磁場會發生明顯變化，因此手機便可以快速感應并通過圖像反饋．

如圖5所示，A為智能手機，擺放在凳子的上方，B為強磁鐵，被固定在桌子的下方．實驗前，打開phyphox軟件中的磁感應強度測量功能，點擊至“ABSOLUTE”的統計界面，然后將手機固定在凳子上，使得手機被放置在強磁鐵的正下方．準備就緒后啟動統計功能并且按壓桌子．

圖5 實驗裝置示意圖

圖6為軟件所獲得的“磁感應強度-時間”曲線圖像．每當實驗者在桌板的上方適當按壓桌子使桌子發生微小形變時，由于磁鐵的位置跟隨著發生微小移動，因此手機顯示的圖像會出現變化．本次實驗使用逐漸增大的力度按壓桌子4次，所以圖像也因此呈現出4個逐漸變大的峰值．手機的感應十分迅速，圖像的變化和人手的按壓是同步的，因此也能夠很好地保證實驗的效果．

圖6 磁傳感器采集的數據圖樣

2 教學功能分析

智能手機的應用有利于提高課堂的多樣性，激發學生學習物理知識的熱情[4]．上文分別介紹了3種利用智能手機進行微小形變實驗的方法．其中，利用角速度傳感器和加速度傳感器是借助于記錄下桌子微小形變的快慢程度來輔助實驗中對微小形變的觀察，磁傳感器則是利用磁鐵位置變化而產生的磁場改變來反映出桌子微小形變的程度．3種實驗的方法不僅可以實現對微小形變現象的觀測，而且還有助于探究按壓力度不同時的形變大小變化．接下來，對其教學功能進行分析.

2.1 實驗方便快捷 現象明顯

3個實驗均不需要使用過多的器材，只需要一部智能手機和一塊強磁鐵即可完成實驗，有效地避免教師在準備器材時消耗過多時間與精力．另外，傳統的光放大實驗過程中可能會由于學生的座位影響，導致部分學生觀察效果并不佳[5]．而利用智能手機進行演示的過程中可以將手機和課堂投影屏幕相連，這樣學生便可以通過投影屏幕直觀觀察按壓過程中的曲線變化，現象明顯．在這樣的實驗過程中，有助于教師在課堂上利用圖像引導學生討論，深入地分析生活中的微小形變，讓課堂更加充滿交流探究的味道．

2.2 適合學生課后探究 感受科技魅力

現階段，大部分中學生都能夠在日常生活中接觸到智能手機．在課堂上利用智能手機進行微小形變實驗，能夠讓學生感受到現代技術在物理實驗的應用，拓寬學生的視野．除此之外，上文所涉及的實驗簡單，所需要的材料并不復雜，因此也適合學生課后探究，有利于充實學生的課后時間，培養學生動手操作的興趣．在此過程中，還涉及了傳感器的應用，能讓學生提前感受科學技術的魅力，激發了解傳感器原理的好奇心，為后期的傳感器教學做下鋪墊．

3 總結

在教育領域，促進信息技術與課程的融合，近年來成為教育研究和實驗探索的熱點[6]．本文基于智能手機當中的傳感器種類與特點，介紹了智能手機應用于微小形變觀察實驗的方法和策略．利用智能手機探究微小形變具有操作簡單、材料易得、現象直觀明顯的特點，不僅適用于課堂演示，還適用于學生的課后自主探究．在這樣的探究過程中，有助于學生玩出新的認識與花樣，感受物理實驗的趣味．