利用手機Phyphox軟件開展居家實驗的實踐

王亞芳， 高 義， 陳 倩， 蔣雨宸

（中國地質大學（北京）數理學院，北京 100083）

0 引 言

2020年的春季學期，突如其來的新冠疫情阻斷了學生和教師返校的腳步。各高校利用各類教學和社交平臺把教學從線下搬到了線上，高校的教師也在特殊時期積極適應，各種授課模式都紛紛亮相［1-4］，應該說，這次疫情既是危機也帶來了機遇，倒逼整個教育行業進行了一次教學模式的重大改革［5］。相對于理論課，疫情防控期間，大學物理實驗教學面臨著更大的困難，讓學生體驗實踐過程才是物理實驗課的精髓所在，動手操作能力和創新意識的培養需要真實的情境。面對這樣的困難，物理實驗教師紛紛獻計獻策，居家實驗［6-9］就是其中一個具有可操作性的探索，為疫情期間的實驗教學帶來了新的模式和思路。

在開展居家實驗的過程中，學生面臨著一個問題就是沒有合適的測量工具，物理實驗不僅僅是定性觀察，更需要定量測量，面對這樣的問題，Phyphox軟件成為最佳的解決方案［10］。這是一款開源的、可以在蘋果IOS和安卓系統免費下載的軟件，它就是一個物理實驗工具包，可以幫助學生開展力學、熱學、光學、電學的實驗項目，從而成為開展居家實驗的神器。

1 Phyphox軟件介紹

隨著科學技術的不斷發展和工藝的不斷優化，人們使用的手機越來越智能，這主要是歸功于手機上搭載的各種各樣的傳感器，如圖1所示，這些傳感器包括距離傳感器、光傳感器、陀螺儀、GPS定位，壓力傳感器，溫度傳感器等，這些傳感器讓手機變成一個智能的機器人，同時也成為物理實驗開展的好幫手。

圖1 三星和蘋果手機上部分傳感器的位置示意圖

為了使智能手機能夠成為開展物理實驗的工具，德國亞琛工業大學S.Staacks等人開發出了一款手機應用軟件，這款軟件全稱為“physical phone experiments”，簡稱Phyphox，是2016年9月發布的。這款軟件可以調用手機的傳感器（加速度傳感器，磁力傳感器，陀螺儀，光傳感器，壓力傳感器，聲音傳感器，溫度、濕度傳感器）的數據，從而實現對物理量的測量，如加速度、角速度、光照強度、壓力和聲音的振幅等基本物理的測量。除了軟件外，開發者還在其官網http：／／phyphox.org上傳了軟件的使用教程，以及如何利用手機開展物理實驗的視頻教程。這款軟件是開源的，愛好者和科研人員可以添加更多的實驗，此外，為了方便實驗操作，這款軟件還可以進行遠程操控，讓手機能夠更好地成為一個實驗工具［11］。

由于智能手機的普及性，讓Phyphox軟件成為居家實驗的新寵，其英文版的界面如圖2所示，手機上沒有搭載的傳感器在軟件中會顯示為灰色，如圖2所示的壓力傳感器，而相關的實驗也會顯示為灰色（顯示電梯實時速度的工具），這款軟件除了調用數據，還可以進行數據分析，能夠非常直觀地用數字或圖形給出測量量，數據結果也可以很方便地導出。所以說Phyphox軟件具有方便實用的優點，為物理教學提供了新穎的測量工具，非常有利于居家實驗的開展。

圖2 英文版Phyphox軟件示意圖

2 開展居家實驗的實例

新冠疫情讓“居家實驗”以全新模式進入大學物理實驗教師的視野，很多實驗教師在家開發了很多適合居家的實驗項目，學生也紛紛獻計獻策，各種儀器，內容，實驗方案都超出預期，學生能夠主動做實驗，解決身邊的問題，在這個過程中已經實現了對學生動手能力和各項技能的鍛煉，也達到了實驗教學的目的。

2.1 重力加速度實驗

單擺測重力加速度是個非常經典的實驗，主要利用小角度（＜5°）單擺可以近似看做簡諧振動，從而得到單擺周期和當地重力加速度的數值關系然后通過多次測量單擺的周期（時間）的數值，計算得到重力加速度。這個實驗原理比較簡單，對實驗儀器和測量工具的要求也比較低，但是對數據處理和分析能夠讓學生學習利用誤差選擇選用適當的儀器，還能讓學生學習累積放大法的測量原理，非常適合開展居家實驗，所以很多學生都選擇了這一題目開展實驗研究。

在儀器選擇方面，學生有依托墻面釘子、門把手，晾衣架，單擺多采用彈性較小的細線或者尼龍線，測擺長用卷尺和米尺，擺錘選用也是五花八門，測量周期的儀器有秒表和手機。下面介紹兩種典型的分別利用手機Phyphox軟件進行測量的實驗，具體實驗裝置如圖3所示。

圖3 利用手機Phyphox軟件測量重力加速度

其中，方法1是將智能手機作為單擺的擺錘，直接使用Phyphox的重力加速度測量程序（Pendulum）進行測量，如圖4所示，只要輸入單擺的擺長，手機程序就可以直接計算給出單擺的周期和頻率，并計算得到當地的重力加速度。當然也有同學利用Phyphox中的加速度傳感器（Acceleration with g），通過x或者y方向加速度的變化周期，從而計算重力加速度。除了直接用手機做單擺外，還有一組同學是利用小磁鐵作為單擺進行測量，如圖3方法2所示。該組同學是利用Phyphox軟件中的磁力計傳感器進行測量（Magnetometer）磁場的強度，利用磁場強度的周期性變化計算得到單擺的周期，然后計算得到當地的重力加速度。

圖4 Phyphox軟件中單擺測重力加速度示意圖

由于疫情的關系，測量重力加速度的同學都身處祖國的四面八方，所以有同學利用手機做單擺的方法，測量當地的重力加速度和當地的經度緯度位置，雖然這些數據可能和當地的標準值存在較大誤差，但是這個拓展內容卻讓學生理解了重力加速度和緯度位置是關聯的，加深了他們對重力加速度和測量誤差的理解。

2.2 聲音駐波實驗

在日常生活中我們都有這樣的生活體驗，當你向暖水壺等盛水容器中倒水時，會聽到聲音，而且這種聲音的音調會隨著水面高度的增加而不斷變化，有經驗的人可以通過注水時聲調的變化來判斷盛水容器是否即將倒滿［12］。這種生活現象其實是由于由于振動產生的聲行波與其反射波在容器中產生的駐波，容器開口處是駐波的波腹位置，因此，空氣柱的長度L和聲波波長λ滿足L＝n的關系。容器在注水的過程中，空氣柱的柱長會變小，從而使其波長變小，頻率增大，所以人們聽到的音調會不斷升高［13-14］。這個實驗和日常的生活經驗息息相關，實驗原理清晰，同時還能解釋日常生活中的現象，所以很多學生都非常感興趣，做了聲音駐波的實驗。

這個實驗中，學生選擇了如圖5所示的容器，用水龍頭給容器注水，然后利用智能手機中的Phyphox軟件的聲音頻率隨時間變化的程序（Frequency history）記錄瓶口的聲音頻率隨時間的變化曲線，見圖6，從而可以研究聲音頻率和容器空氣柱的長度之間的關系。

圖5 聲駐波實驗中選用的不同容器

圖6 不同注水速率的聲波頻率（左23 mL／s，中12 mL／s，右6 mL／s）

2.3 鐵氧磁體的磁學性能研究

鐵氧體磁鐵屬燒結永磁材料，這種磁材除了有較強的抗退磁性能，還有成本低廉的優勢，具有廣闊的應用領域，從電機、揚聲器到玩具、工藝品，是目前應用最廣的永磁材料。有同學以稀土釹鐵硼小磁鐵為研究對象，利用智能手機Phyphox軟件中的磁力計（Magnetometer）開展了磁學方面的實驗探索。

學生根據可能影響磁鐵性能的一些參數開展了相關的研究，例如介質（水）對磁場的影響，溫度對對磁場的影響，以及磁鐵是否具有各向異性，見圖7，這些研究既有很好的操作性，也激發了學生對于很多問題的思考，例如什么是磁鐵的各向異性，以及能否利用磁鐵隨溫度的變化的特性制作傳感器或者報警器等。

圖7 學生開展磁學性能研究的實物及數據圖

3 居家實驗效果與討論

除了以上介紹的幾個居家實驗的例子外，學生開展的居家實驗報告內容非常豐富。一部分學生基本上按照教師提供的題目開展，例如重力加速度的測量，冰的熔解熱的測量，轉動慣量的測量，小孔成像的測量等。另外一部分同學開展的居家實驗非常有創造性，選擇的題目很有趣味性，例如紙橋承重，瓶子賽跑，漂浮的硬幣，帶電的報紙，筷子的神力等。

通過學生居家實驗的開展可看到：①居家實驗這種應急措施在疫情期間實驗教學中取得了不錯的效果，能夠讓學生體驗到真實的動手操作，設計物理實驗的經歷，除了動手搭建實驗平臺，測量數據外，還能夠體驗到失敗的沮喪和成功的喜悅這樣的情感經歷，能夠取得較好的學習效果。②相比有固定操作流程的經典實驗，居家實驗有很多的不確定性，例如實驗儀器的選擇，實驗環節的設計，實驗方法的選擇以及數據的處理。而這些環節恰恰是培養學生創新能力、發現問題和解決問題最好的途徑，如果老師能夠引導學生進行誤差的分析、量綱分析、單一變量分析等思路，居家實驗可以實現比正常實驗室實驗更好的教學效果［15-16］。另外，手機軟件（Phyphox）能夠成為很多物理實驗的測量工具，這里除了讓學生擁有一種測量儀器外，更能引導學生建立轉化測量的概念，知道通過物理模型的建立，物理規律之間的關聯性，可以把未知量轉化成手機傳感器可以測量的物理量，這些概念對于培養學生實踐能力和基本操作技能都具有重要作用。

在評閱學生的居家實驗的報告過程中，也發現了一些問題：①學生對居家實驗深入研究不足，對于實驗現象后面的原理沒有分析，甚至都沒有進行定量的測量，只是現象演示。②在居家環境下，不能像學校實驗室一樣提供精密的儀器或者適合實驗的硬件條件，測量工具Phyphox軟件的精度是由手機搭配的傳感器的精度決定，不可能具備有實驗室級別的傳感器，所以實驗的精度受到很大的影響。

4 結 語

在新冠疫情肆虐，學生不能如期返校的大背景下，居家（宅）實驗應用而生，成為一個新的教學模式，成為學校實驗教學的補充和延伸。雖然，這種模式具有時代特殊性，但卻給未來的教學拓展了思路，如果能夠正確引導和合理利用，不管是居家實驗的教育模式，還是智能手機phyphox實驗工具箱都可以在今后的物理實驗教學中起到積極的作用。