智能手機參與經典物理實驗的研究

武曉磊 劉欣 蘇波

摘要：隨著科技的不斷發展，手機已經從最基本的通信功能演變為現在集多種功能為一體的智能載體，智能手機內部集結了例如紅外、距離、重力、磁場、氣壓、溫度、濕度、加速度等多種傳感器。為了提高學生的學習興趣，方便學生進行物理探究，可以利用智能手機的硬件和軟件設計參與很多的物理實驗。本文主要介紹了利用智能手機參與完成的4個實驗，分別是智能手機充當信號發生器在示波器上顯示李薩如圖形，智能手機充當單通道示波器，利用智能手機和Arduino模塊測定超聲波的聲速，利用手機的GPS功能測量地球的半徑和質量。

關鍵詞：智能手機;物理實驗;測量

1 緒論

手機作為現代生活的隨身用品，其功能已不僅僅是打電話發短信，而是越來越智能化[1]。利用手機，可以拍照、上網、娛樂等，給人們的生活帶來了很大的便利。此外，隨著智能手機內置傳感器種類的不斷豐富，以及通過調用手機內置傳感器來實現數據測量的相關程序的不斷開發，將智能手機中的內置傳感器與數據采集應用軟件相結合，智能手機可以說是一個可隨身攜帶的物理小型實驗室[2]。利用其豐富的軟件，各種聲、光、距離、重力、加速度、磁場、氣壓、溫度、濕度等靈敏度較高的傳感器，可以設計并參與許多物理實驗[3]，不僅方便，還能大大激發學生探究物理的興趣和熱情。在本文中利用智能手機完成了四個物理試驗：智能手機充當信號發生器在示波器上顯示李薩如圖形、智能手機充當單通道示波器、利用智能手機和Arduino模塊測定超聲波的聲速、利用智能手機測量地球的半徑和質量。

2 實驗

2.1 智能手機充當信號發生器在示波器上顯示李薩如圖形

耳機是智能手機向外輸出電信號的媒介，根據這一原理，考慮能否通過耳機向外輸出可以人為控制的一定頻率一定形狀的電信號，通過查閱大量資料，發現Waveform Generator Demo軟件可以做到，其輸出的波形有正弦波、三角波、方形波和鋸齒波可供選擇，還可以調節輸出電波的頻率和功率。耳機接頭如圖1所示，一共有4個部分，分別是左聲道、右聲道、麥克風和共地端。其中左聲道、右聲道是輸出端，可以將手機中的信號輸出;麥克風是輸入端，可將外界信號采集并輸入到手機中，最后一個是輸入輸出端所共用的地線[4]。

李薩如圖是利用一個雙通道示波器，把外界輸入的兩個正弦信號分別加載在X和Y軸上，當兩個正弦電壓的頻率相同或者呈現簡單的整數比時，則屏上將顯示出特殊形狀的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖形[5]。李薩如圖形與X和Y軸的最大交點數n1：n2等于Y軸和X軸的輸入頻率之比。

實驗時把耳機的膠質塞頭剪下，兩幅耳機的耳機頭分別連接兩個手機，兩幅耳機的左聲道分別連接示波器的CH1和CH2通道，兩個智能手機通過Waveform Generator Demo軟件輸出正弦波形，調整手機輸出頻率和輸出功率，即可在示波器上顯示李薩如圖形。通過不斷調整兩個手機輸出頻率的整數比，可以得到不同的李薩如圖形。實驗結果如圖2和圖3所示。

2.2 智能手機充當單通道示波器

手機既可以通過耳機的左右聲道向外發送一定頻率的電波信號，也可以通過耳機的麥克風接收外界信號，因此，想通過應用程序來顯示接收信號的頻率，讓手機具備示波器功能。查閱資料，發現通過MicTester軟件可以顯示手機接收到的麥克風信號的頻率。利用Waveform Generator Demo軟件通過耳機的左聲道發送正弦信號，另一個手機通過MicTester軟件利用麥克風接收信號。值得注意的是，因為手機只有一個麥克風接口，所以只能當作單通道的示波器來使用。

把一副耳機的膠質塞頭剪下，耳機頭連接手機，通過Waveform Generator Demo軟件利用耳機的左聲道向外輸出正弦波;把另一副耳機的耳機頭連接手機，麥克風剪下，麥克風線連接一個電容后再連接剛才耳機的左聲道，手機即可通過MicTester軟件查看頻率。可以發現，輸入頻率是2000Hz，軟件上顯示1999Hz。

2.3 測定超聲波的聲速

速度=距離/時間，只要求得已知距離和時間，就可以求出速度。Arduino模塊連接超聲波模塊和藍牙模塊，超聲波模塊可以發送和接收超聲波，藍牙模塊和手機藍牙進行連接從而進行數據交換。實驗開始時，距離超聲波模塊一定距離處放一個擋板，超聲波模塊發送端正對著擋板，擋板的作用是反射超聲波信號，超聲波模塊和擋板的距離用米尺測量;時間采用I/O觸發測量，Arduino給超聲波模塊發出至少10微秒的高電平信號，開始計時，接著超聲波模塊發送8個40kHz的方波，然后檢測是否有信號返回，如果有信號返回，停止計時，Arduino記錄的時間就是超聲波從發射到返回的時間。手機APP藍牙串口助手，可以通過藍牙讓手機和Arduino進行數據交換。把測量得到的距離通過藍牙串口助手發送給Arduino，在Arduino上作出計算，聲速=測試距離×2/時間，最后再把計算得到的超聲波速度結果通過藍牙模塊發送到手機上顯示。

2.4 測量地球的半徑和質量

智能手機具有GPS定位功能，可以測量某地的經度和緯度。使用智能手機分別測得兩個城市（位于同一經度，不同緯度）的經度和緯度，可算得這兩個城市的緯度差Δθ;利用智能手機的地圖功能可得到兩城市的距離L[6]，利用圓心角公式：

首先利用智能手機的地圖軟件測量北京和安徽六安的經緯度（北京和安徽六安同經度），然后計算這兩個城市的緯度差Δθ。再利用智能手機的地圖軟件測量從北京到安徽六安的直線距離L，利用圓心角公式求得地球半徑R。再利用Sensor Checker軟件得到本地的重力加速度g，代入公式（2），即可求得地球質量M。

北京的北緯值和東經值分別為39.90°和116.30°，六安的北緯值和東經值分別為31.44°和116.28°，利用地圖軟件測得，北京到六安的直線距離為945.14km;利用圓心角公式，可得地球半徑R=6404.26km。查閱相關資料可知地球半徑理論值為6371km。

利用Sensor Checker軟件求得重力加速度g=9.799m/s2，根據公式（2），求得地球質量M=6.022×1024kg。

根據一系列的計算，地球半徑為6404.26km，地球實際半徑為6371km[8]，對誤差為0.52%;地球質量為6.022×1024kg，實際質量為5.977×1024kg，相對誤差為0.75%。

3 結論

上述實驗經驗證都非常成功，說明利用智能手機參與完成物理實驗不僅會使得實驗更加簡單，操作更加方便，而且還會充分調動學生的科研興趣。此外，經驗證智能手機自身還帶有很多傳感器，可以直接測量出：重力加速度、溫度、濕度、亮度、壓強等物理量，充分表現了科技的發展與物理實驗相結合的重要性。

參考文獻：

[1]劉銀奎.利用智能手機演示聲波的相關實驗[J].物理實驗，2020，40（07）：58-61.

[2]智能手機在中學物理實驗教學中的研究[D].陜西理工大學，2020.

[3]張雅婷.智能手機助力高中物理演示實驗教學的專題研究[D].內蒙古師范大學，2020.

[4][美]揚，[美]弗里德曼著.西爾斯當代大學物理（下冊英文改編版）（原書第11版）.機械工業出版社，2009.

[5]李開瑋，楊斌.“示波器原理與使用”實驗教學啟發[J].科技風，2020，（02）：42.

[6][美]Michael Margolis著.Arduino權威指南[M].人民郵電大學出版社，2015.

[7]吳詠華，霍建青，浦其榮.大學物理實驗[M].2版.北京高等教育出版社，2005：93-94.

[8]劉智謙.使用手機GPS定位軟件巧測地球半徑[J].實驗教學與儀器，2018，35（01）：71-72.