利用智能手機巧做物理實驗

周和建

(浙江省臺州市第一中學，浙江 臺州 318000)

1 引言

隨著智能手機的普及和現代技術與教育的不斷融合，物理實驗教學也在發生變化。除了傳統實驗器材之外，傳感器的使用也已非常普遍，智能手機也正逐漸成為物理實驗的常備器材。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》明確提出：“以教育信息化帶動教育現代化”，智能手機在實驗教學中的應用就體現了這一要求。

2 智能手機的優勢

隨著傳感器技術的不斷成熟，傳感器的小型化使得智能手機集成了多種高精度、高靈敏度的傳感器，例如加速度傳感器、重力傳感器、光傳感器、壓力傳感器和磁傳感器等。

在智能手機里安裝軟件，例如Phyphox軟件，就可以實現多種物理量的測量，例如加速度、壓強、聲強、磁場等，能與物理實驗有機結合，為開發實驗提供新的方法和途徑。

Phyphox軟件由德國亞琛工業大學的第二物理研究所開發，一經面世便受到廣泛關注和好評，它將不同的傳感器進行模塊化組合，方便研究和分析諸如滾動、單擺、超重和失重等基本運動。[1]

3 實驗案例的開發

智能手機里的加速度、聲音、陀螺儀傳感器在物理實驗中應用廣泛，基于這些傳感器可開展的實驗如表1所示，對改進教師演示實驗和開發學生課外實驗都很有價值。

表1

3.1 基于加速度傳感器開發實驗

加速度傳感器是通過手機的坐標系分別在X、Y、Z軸的位移變化來測量物體運動的加速度，手機軟件能夠分別記錄X、Y、Z軸的加速度隨時間變化的圖像。

3.1.1 用手機研究自由落體運動并測量自由落體加速度

智能手機里集成了加速度傳感器，可以實時記錄手機的加速度隨時間變化的情況。如圖1所示，讓手機自由下落，就可以測量自由落體運動的加速度。[2]

圖1

3.1.2 利用智能手機研究超重和失重現象

超重和失重的典型運動學特征就是加速度的方向。物體處于超重狀態時，加速度的方向向上，物體處于失重狀態時，加速度的方向向下。在實驗中測量出加速度的方向，并與超重和失重現象建立聯系，實現從運動學角度研究超重和失重現象。

智能手機里有功能強大的加速度傳感器，可以實現確定加速度方向的功能。手握智能手機，并與人體保持相對靜止，人先“下蹲”后“起立”得到Z軸上加速度隨時間變化的圖像如圖2所示。

圖2

3.1.3 描繪簡諧運動的加速度隨時間變化的圖像

手機里集成的加速度傳感器，可以實時記錄手機運動的加速度信息，利用Phyphox軟件可以繪制出a-t圖像。手機在豎直方向做簡諧運動的過程中，為控制其振動的穩定性，對組裝器材提出了很高的要求(圖3)。可以從記錄的a-t圖像中間接證明簡諧運動的能量轉化和守恒規律(圖4)，可促進學生形成能量觀念。熟練運用科學推理，得出x-t圖像和a-t圖像的聯系，幫助學生形成運動與相互作用觀念。

圖3

圖4

3.1.4 對比研究彈簧振子的自由振動和阻尼振動

由彈簧振子的回復力F=-kx，可得回復力F隨時間t變化的圖像也是正弦式曲線；再由牛頓第二定律，加速度a隨時間t變化的圖像也是正弦式曲線。并且a-t圖像的周期等于x-t圖像的周期，即彈簧振子的振動周期，a-t圖像的峰值可以反映x-t圖像的峰值(即振幅)。

在彈簧振子做自由振動時，a-t圖像的周期和峰值保持不變(圖5)；而在彈簧振子做阻尼振動時，a-t圖像的周期不變，但峰值會逐漸減小(圖6)。用智能手機進行實驗，利用手機里的加速度傳感器，通過Phyphox軟件，可以描繪彈簧振子的加速度隨時間變化的a-t圖像，[3]進而對比驗證彈簧振子做自由振動和阻尼振動的a-t圖像是否與上述推理相吻合。

圖5

圖6

進一步結合能量轉化和守恒定律，對彈簧振子的自由振動和阻尼振動進行對比分析。可知：在無阻尼振動中，彈簧的彈性勢能和物體的動能發生轉化，但總能量守恒；在阻尼振動中，系統克服阻力的作用要做功，消耗機械能，因而振幅減小，最后停下來，可促進學生發展能量觀念。

3.2 基于聲音傳感器開發實驗

Phyphox軟件里常用的聲學功能有3個：(1)利用聲音傳感器可以測量聲音的振幅、頻率。(2)設有音頻發生器，可以產生確定頻率的聲音。(3)利用聲學秒表功能可以獲得兩個聲音事件間的時間間隔。

3.2.1 用聲學秒表研究自由落體運動的規律

在研究自由落體運動位移x隨時間t變化的規律中，位移的測量較為方便，困難的是準確測量自由落體運動的時間間隔。由于人存在反應時間，所以較短的時間間隔需要用儀器自動記錄。聲學秒表具有精確度與靈敏度較高的特點，如果能讓自由落體運動的始末狀態分別發出聲音信號，就可以實現自動記錄自由落體運動時間間隔的功能。

方案一：如圖7所示，利用筆快速擊打鋼尺，發出聲音信號，聲學秒表開始計時。同時鋼尺上的小鐵球開始做自由落體運動，落在地面上時再次發出聲音，聲學秒表停止計時。

圖7

方案二：如圖8所示，用針刺破氣球，發出聲音信號，聲學秒表開始計時。同時，氣球下懸掛的鉤碼開始做自由落體運動，鉤碼落在地面上時再次發出聲音，聲學秒表停止計時。[4]

圖8

3.2.2 用聲學秒表測量聲音在空氣中的傳播速度

如圖9所示，在A、B兩處各放置一部手機，并各站立一位同學。用卷尺測出A、B兩處的距離d。A處的同學擊掌后，A處的手機立即開始計時，聲音信號傳播d距離后，使得B處的手機開始計時。B處的同學擊掌后，B處的手機立即停止計時，聲音信號傳播d距離后，使得A處的手機停止計時。[5]

圖9

由于A處手機所記錄的時間長于B處手機所記錄的時間。二者記錄的時間差值為聲音在空氣中傳播2d距離所用的時間。因此將2d距離除以兩部手機記錄的時間差值，就可測出聲音在空氣中傳播的速度大小(圖10)。

圖10

3.2.3 利用智能手機研究多普勒效應

Phyphox軟件里有兩種功能：(1)利用音頻發生器功能可以產生一個特定頻率的聲音，可以作為聲源使用；(2)利用多普勒效應功能可以測量得到頻率隨時間變化的圖像。

針對多普勒效應常見的4種情況(表2)，分別進行實驗研究。

表2

3.3 基于陀螺儀傳感器開發實驗

陀螺儀傳感器會給出陀螺儀的角速度和向心加速度數據，而這兩個物理量在傳統實驗中很難進行測量。

3.3.1 研究向心加速度與角速度的關系

智能手機里集成了加速度傳感器，當手機作圓周運動時，可以直接測量出手機的向心加速度和角速度，通過畫圖可找到二者的關系。通過對實驗界面中a-ω圖像和a-ω2圖像的對比分析，再一次體會到“化曲為直”的思想以及它在數據處理中的重要作用。

離心干燥器是洗衣機的重要部件，也是“生活中的圓周運動”一節的實例。將離心干燥器與離心轉臺相結合，是演示離心運動的經典實驗。將智能手機固定在離心干燥器上，研究圓周運動中向心加速度與角速度的關系，是對常規實驗裝置和方案的改進(圖11)，固定智能手機時，既要保證其作完整的圓周運動，又要避免轉得太快而發生離心運動對手機造成損壞。[6]

圖11

3.3.2 利用智能手機研究單擺的運動

如圖12所示，將智能手機懸掛起來近似作為單擺來使用，手機內部的陀螺儀傳感器可以描繪單擺做簡諧運動的振動圖像，并自動測量出單擺的振動周期。這樣就避免了用秒表或者光電門去測量周期，大大簡化了測量過程，提高了實驗效率。

圖12

對單擺的運動周期T可以用手機自動測量，擺長L可以用米尺測量，當地重力加速度g可以查表獲得，可驗證單擺的周期公式。

利用智能手機Phyphox軟件可以將很多物理實驗變得簡單快捷和便于操作，其廣泛應用還有待于進一步的開發。