基于物理核心素養立意的課外實驗設計

張超　劉晉君　鄧泳欣

摘 要：利用實驗儀器測量物體加速度的方法，很少能將其運用在生活中.隨著科技的發展，智能手機早已在我們生活中普及，隨著手機硬件和軟件的功能升級，我們也可以利用手機這樣的便攜智能工具估測生活中機動車運動的加速度.本文結合教學實踐提供兩個實用方案.

關鍵詞：智能手機;量角器APP;傳感器APP;測量加速度

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）01-0045-03

作者簡介：張超（1986-），男，山東東平人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確了物理核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任四個方面.物理是一門基于實驗的自然科學，學生的物理知識來源于課堂，更應當使之應用于生活，這是物理知識內化為物理素養的一種重要表現，也是高中物理教學的重要課題.本文結合自身教學實踐，以“利用智能手機估測機動車的加速度”兩個實用方案為例進行探討.

1 利用手機攝像功能和量角器APP估測機動車的加速度

1.1 實驗原理

當機動車加速運動時，懸掛在車廂內的物體，由于慣性，會向機動車運動的反方向擺動，使繩子與豎直方向產生傾角（如圖1）.如圖2對其進行受力分析，沿水平方向和豎直方向分解繩子拉力，結合牛頓第二定律，可得關系式：tanθ=F1mg，F1=ma，即a=gtanθ，即只需測量出偏移角θ，就能夠計算出機動車的加速度a.

1.2 實驗步驟

（1）在靜止的機動車扶桿上用繩子懸掛一個重物，調整繩子結點的位置，使重物與繩子緊貼扶桿，與豎直方向夾角為零.

（2）利用三腳架固定手機，打開手機“拍照”功能，利用手機攝像功能中自帶的標尺網格，調整手機位置，盡量使豎直標尺與繩子重合.

（3）機動車啟動后，按下手機連拍按鈕，記錄重物從靜止到產生最大傾角的全過程.

（4）選擇一張傾角適當、成像清晰的照片，利用手機“AR測量”APP中的角度測量功能（如圖3），測量繩子與豎直方向之間的傾角θ.

（5）將測量數據代入關系式a=gtanθ，運用手機計算器功能，計算此瞬間機動車的加速度a.

1.3 注意事項

（1）測量的準備過程中，調整好繩子的結點位置和松緊情況，保證重物在擺動過程中，繩子結點位置不會上下滑動;

（2）實驗過程通過手機拍照功能記錄并測量重物的偏轉角度θ，因此需要盡量使手機拍攝的平面與重物擺動的平面在同一豎直面，以減小因拍攝角度問題帶來的實驗誤差.

2 利用手機傳感器APP估測機動車的加速度

2.1 實驗原理

隨著電子數碼技術的進步，智能手機已經不再是一個簡單的通訊工具，而是具有多種功能的便攜式電子設備.手機內常見的傳感器有7種：地磁傳感器、陀螺儀、光傳感器、距離傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、磁場傳感器，涵蓋了力、熱、光、磁等多個方面（如圖4所示），可以對力、熱、光、磁等相關物理量進行簡單的測量，供實驗者分析.常用的手機傳感器實驗APP有“Sensors”APP和“科學日志”APP等.

本實驗選用“科學日志”APP其中較為簡單的加速度傳感器為例，估測機動車的加速度（如圖5）.

進入圖5界面圖示，加速度傳感器可以測量三個方向（X，Y，Z）的瞬時加速度，并以正、負數表示其方向.同時記錄多方向加速度隨時間的變化，并直接繪制成圖像.

2.2 實驗步驟

（1）打開“科學日志”APP，新建實驗，在初始界面上點擊Y軸加速計按鈕，進入瞬時加速度測量界面.

（2）將智能手機靜止放置于機動車上，調節手機位置，確保手機的Y方向沿平行車輛前進方向放置（此時Y軸瞬時加速計示數應顯示為0），對手機進行固定.

（3）確定傳感器數據記錄器已正常工作后，開啟“屏幕錄制”功能，啟動機動車.

（4）一段時間后點擊停止按鈕，得到機動車加速度隨時間變化圖像.

（5）點擊右上角功能鍵，選擇導出到文件，得到實驗具體的數據表格.

2.3 數據處理

（1）實驗中可得如圖6所示的機動車加速度隨時間變化圖像.

（2）從圖中可以得到沿機動車前進方向的加速度，系統默認向前（指向手機頭部）的加速度為負值，點擊曲線可以選擇讀取具體某一時刻的加速度大小.

（3）根據導出的數據表格，可以對數據進行具體的操作.

2.4 注意事項

（1）測量前，可通過對比Z方向的加速度接近重力加速度g，來判斷智能手機是否與水平方向共面，以確保Y方向與汽車運動方向一致，提高測量的準確性.

（2）為進一步提升測量的精準度，在確定好手機的放置方位后，可以使用車載支架對手機進行固定.

（3）通過傳感器生成的圖像，既能觀察汽車啟動全過程的加速度變化，還能針對特定時刻讀出瞬時加速度大小，讓學生更深刻地體會物理知識與生活實際之間密不可分的聯系，有利于幫助學生建立正確的科學態度與價值觀.

3 結束語

現如今手機已經成為人們日常生活中不可或缺的重要工具.利用手機自帶的攝像、傳感器等功能實現對實際生活中的客觀規律進行探索，既體現了物理學科核心素養中科學探究、科學態度與責任的要求，更有利于提升教師及學生接受新事物的意識、提高信息化實驗操作的能力，與時俱進，一舉多得.同時，手機傳感器相比于傳統的打點計時器、光電門等實驗器材具有精確、敏感、圖像化、數據化等突出的優勢，更加有利于讓物理實驗走進實際生活.相信隨著手機智能終端技術的不斷進步，還會有更多的智能工具為物理教學服務.

參考文獻：

[1]李立，張皓晶，張雄.基于智能手機磁性傳感器測量重力加速[J].物理實驗，2019，39（09）：58-60+63.

[2]胡琦珩，丁益民，馮一帆.利用智能手機驗證牛頓第二定律[J].物理教師，2017，38（10）：50-52.

（收稿日期：2020-09-10）