利用Phyphox軟件突破超重和失重教學難點問題

張萬里

(安徽省宿州市第二中學,安徽 宿州 234000)

超重和失重是現實生活中常見的現象,也是學生概念容易出錯的章節,很多學生會認為超重就是重力增加了、失重就是重力減小了,或者認為超重失重與物體運動方向或速度大小有關[1].究其原因是學生難以直接從運動聯系力,這之間的思維跨度較大.在新課程標準的要求中為:通過實驗,認識超重和失重現象.在日常教學中應該以實驗探究為手段,讓學生發現與討論實驗現象、分析實驗數據、最終自主獲得這一部分知識.

在日常教學中,教師通常采用人乘坐電梯上下樓的視頻來處理,省略了探究的過程.另外,在教材中,利用人站在體重計上下蹲引入本節課,同時在后面的“思考與討論”中展示了人在下蹲和站起的過程中力傳感器的示數,說明人蹲起的過程是探究超重和失重的非常重要實驗.但是人下蹲過程體重計上示數變化比較快,不方便記錄數據,并且只能少數學生能真正觀察到實驗.后面“思考與討論”上的圖更是需要思維進一步加工處理,明白什么時候是站立狀態,什么時候是下蹲、起立過程.對學生的能力要求較高,對初學者來說難以理解.

為了突破這一難題,本文借助手機自帶的加速度傳感器,實時顯示人的加速度大小和方向,并用多機位拍攝人在體重秤上蹲起時體重秤和人蹲起過程的視頻,再采用視頻合成、慢放的方法,更直觀地展示蹲起過程中的超重和失重現象問題.

1 手機傳感器

智能手機功能越來越強大,利用智能手機可以測量光、加速度、向心加速度、彈簧振子、單擺等信息,并實時以數字或圖形的形式展示出來.本實驗借用手機物理工坊(Phyphox)軟件,探測手機沿y軸方向(豎直方向)的加速度,并將加速度隨時間的變化以圖形的形式展現出來.(說明:軟件可通過應用商城免費下載.)

2 實驗過程

2.1 實驗準備

首先找一位身體素質較好的同學,把手機用膠帶綁在學生的手臂上,如圖1所示,并交待學生在蹲起的過程手臂夾緊身體,這樣就可以近似認為手機的運動和人重心的運動一樣.用手機可以近似測出人體重心運動的加速度.

圖1 左手綁上手機的同學

圖2 phyphox軟件界面

圖3 學生站在體重計上,另一個學生錄制體重計示數變化的視頻

打開手機物理工坊軟件,并選擇加速度(不含g),這樣得到的加速度就是減去重力加速度后的數據.點擊圖表.點擊運行按鈕(右上角的“三角形”按鈕),顯示加速度的即時變化.正值為加速度方向向上,負值為加速度方向向下.

2.2 實驗過程

讓該同學站在體重秤上,體重秤就會顯示該同學的體重,由于實際生活中體重常用“斤”作為單位,學生對“斤”這個單位比較敏感.所以我們將體重秤的單位改為“斤”.再找兩個同學分別用手機錄制體重秤的示數和學生蹲起的過程.

2.3 實驗圖像處理

利用三個手機分別錄制該同學蹲下和起立過程中不同視角的視頻,分別獲得蹲起過程中的姿態、體重秤示數和加速度的大小和方向數據.由于時間極短,轉瞬即逝.所以三個視頻都利用“剪映”軟件先都慢放十倍,這樣可以把整個蹲起過程的時間擴大到一分鐘左右,給學生以充足的反應時間.同時將三個視頻剪切在一起,同時播放學生蹲起狀態、體重秤示數、加速度情況.讓學生更直觀地看到三者的關系.也可以有意識地引導學生先觀察其中人在蹲起時的姿態和對應的體重秤示數變化,再觀察體重秤示數的變化和加速度圖像的聯系,最后三者一起看,降低思維間的跨度,更容易理解三者之間的關系,并徹底清晰蹲起的過程中超重和失重情況.

圖4為將三個視頻合成在一起的圖像,圖像的最底層為加速度傳感器上加速度的圖像,正值表示加速度方向向上,負值表示加速度方向向下.圖形上下起伏是因為傳感器比較靈敏,并且學生也不可能完全的靜止不動,所以有加速度在0附近的微小浮動.

圖4 實驗者靜止站在體重計上時合成圖像

2.4 實驗現象

2.4.1下蹲過程

學生靜止站在體重秤上時為137.5斤,下蹲開始狀態時,如圖5所示,體重秤的示數明顯小于重力,人處于失重狀態.同時觀察到視頻的最右邊加速度的瞬時值,發現加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重狀態.

圖5 剛開始下蹲時的圖像

如圖6所示,學生快蹲到最低點時,體重秤的示數明顯大于人的重力,人處于超重狀態.同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重狀態.

圖6 下蹲即將結束時的圖像

2.4.2起立過程

如圖7所示,學生剛起立時,體重秤的示數明顯大于人的重力,人處于超重狀態[2].同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重狀態.

圖7 剛開始起立時的圖像

如圖8所示,起立到將要站直身體時,體重秤的示數明顯小于重力,人處于失重狀態.同時觀察到加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重狀態.

圖8 即將站直時的圖像

2.5 實驗數據處理與結論

為了更清晰地展示超重失重與什么因素有關,可以設計表格,讓學生根據視頻中獲得的數據填入表格中,再分析數據:

表1 蹲起中的超重與失重記錄表

由以上分析可知,人在下蹲的過程中先失重再超重,對應加速度方向先向下再向上;起立的過程中先超重再失重,對應的加速度方向先向上再向下.由此很輕易地得出:超重與失重并不是物體的重力增加或者減小了,更是與速度大小無關;僅僅與物體的加速度方向有關.

3 實施建議

課堂教學時,可以準備一個帶藍牙的體重計,可以在手機上實時顯示體重計上的示數.首先讓學生猜測一下,人在蹲起的過程中體重計的示數有怎樣的變化,然后選一個男生上臺演示在體重計上的蹲起,這時將手機屏幕投屏到多媒體上,讓所有學生看到示數的變化,從而引起學生極大的學習興趣.這時學生會看到體重計上示數是有變化的,但是變化太快一下子不能反應過來,由此引出提前準備好的慢放視頻,讓學生們對照視頻填寫數據記錄表(可以在關鍵點時暫停一下,給學生時間記錄),并讓學生間討論,得出結論.

利用該實驗有如下優點:

(1)將學生參與實驗的門檻大大降低了,學生可以在家里重復實驗,學生的體驗性特別好.

(2)通過現場演示,充分調動了學生的積極性;速度,加速度等信息都可以直接找到,省略了學生從速度到加速度的思維過程,可以直接分析超失重與加速度的關系,大大降低了學生學習本節知識的門檻.

(3)將人蹲起過程中枯燥繁瑣的數字、邏輯推理轉化為了更簡單易懂的圖形.將轉瞬即逝、不便記錄的難題,通過視頻慢放并剪輯在一起實現新突破.