利用Phyphox助力物理實驗教學
——以“加速度的測量、探究”為例

殷永娟

(浙江省安吉縣高級中學,浙江 湖州 313300)

1 引言

智能手機集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器,使得測量結果更準確、操作更方便。Phyphox軟件是基于手機中傳感器而設計開發的物理實驗軟件(圖1),使手機成為物理實驗教學的新工具。

圖1

加速度是高中物理中一個非常重要的物理量,但測量起來并不方便,用手機可以測出常見的加速度值，探究加速度與其他物理量的關系，提高學生的物理學科核心素養。

2 利用Phyphox測量重力加速度

圖2

圖3

圖4

利用單擺測量重力加速度的實驗關鍵在于對單擺振動周期的準確測量。實驗結果表明：利用智能手機可以測量單擺的振動周期,測量結果準確。同時該實驗又兼具趣味性與創新性，為物理實驗教學提供了新的思路。

3 利用Phyphox探究向心加速度與半徑、角速度之間的關系

“探究向心力大小與半徑、角速度、質量的關系”是《普通高中物理課程標準(2017年版)》規定的學生必做實驗，是教學的重難點,而傳統的向心力演示儀只能定性分析向心力與半徑、角速度的關系。要得到向心力具體表達式，需要確定向心加速度與半徑、角速度的定量關系。

“向心加速度”傳感器可以得到任意時刻的向心加速度,也可以繪制出a-r、a-ω2圖像，探究a與半徑r、角速度ω的關系。

3.1 探究向心加速度a與半徑r的關系

如圖5所示，在圓桌面上放置兩部手機,轉動圓桌面,手機屏上顯示a-t圖,找到同時刻對應的加速度值,將實驗數據導出(表1),并計算出a1/a2的值,其平均值為2.61,再分別測出傳感器到圓心的距離r1=40.15cm、r2=15.40cm，r1/r2=2.607，與加速度之比基本相同，這樣可以得出結論:當角速度相同時,向心加速度與半徑r成正比。

圖5

表1

3.2 探究向心加速度a與角速度ω之間的關系

如圖6所示，將手機綁在倒置的自行車后輪里,轉動腳踏板,得到a-ω及a-ω2的散點圖(圖7)。a-ω圖像中點跡明顯不在一條直線上，對a-ω2散點圖進行擬合(圖8)，容易看出:向心加速度a與角速度ω的平方成正比,改變手機的位置,重復上述實驗,則a-ω2圖像的斜率不同。

圖6

圖7

圖8

綜合以上兩個實驗的結果，可以得到結論：向心加速度與半徑成正比、與角速度的平方成正比，即a=ω2r,再根據F=ma可以得到向心力公式。用手機完成探究實驗，操作方便、數據精準，通過定量探究得到物理規律,更有說服力。

4 Phyphox軟件應用于學生課外探究

(1)把手伸直,用手托著手機，打開手機加速度傳感器，釋放手機讓手機離開手掌做自由下落，讓手機落在軟墊上,觀察手機屏幕上落到軟墊后的a-t圖像(圖9),學生經多次實驗發現：加速度不斷減小。

圖9

(2)迅速下蹲、起立的a-t圖像如圖10所示，可引導學生探究失重和超重現象。

圖10

(3)將手機固定在洗衣機桶壁上,按下向心加速度按鈕,再按下洗衣機的脫水鍵，得到的a-t圖如圖11所示。

圖11

學生親自用手機完成實驗會感到很新奇而且有成就感,對物理產生了濃厚的興趣,他們的探究能力和創新能力也有了很大的提升。

5 結語

Phyphox軟件功能豐富，可用來做諸多實驗，智能手機輕巧便攜,可以打破做實驗的時空限制。教師的實驗教學方式可實現靈活多樣,同時學生也擁有自由的實驗空間,這樣可以激發學生的求知欲和好奇心。