基于智能手機軟件Phyphox的中學物理實驗研究

摘 要：智能手機是當下使用較為普遍的電子設備之一，自帶多種傳感器，利用智能手機輔助物理實驗教學符合時代發展特點。Phyphox是一款手機應用程序，將其引入中學物理實驗課堂，能有效提升課堂教學效果。主要研究如何利用智能手機中的Phyphox軟件探究加速度與力、質量的關系，先分析高中物理教材中“用補償阻力法探究加速度與力、質量的關系”和“通過位移之比測量加速度之比”兩個實驗參考案例各自的優缺點，然后在此基礎上提出創新實驗方案，最后對創新實驗方案的實施進行反思，并對Phyphox軟件在中學物理實驗中的應用前景進行探討。

關鍵詞：中學物理；實驗研究；智能手機；Phyphox

基金項目：本文系江西省教育科學“十四五”規劃2023年度中小學系列一般課題“智能手機在中學物理實驗教學中的應用——以Phyphox軟件為例”（課題編號：23JYB157）的研究成果。

作者簡介：楊沛蕓（1993—），女，江西省臨川第一中學。

實驗教學是中學物理課程教學的重要組成部分，是培養創新人才的重要途徑。為了落實立德樹人根本任務，強化科學教育與實踐教學，中學物理教師應時刻關注時代與科技發展的動向，把適宜的信息技術融入物理實驗教學中。

隨著科學技術的迅猛發展，社會各個領域都發生了明顯的變化。智能手機是當下使用較為普遍的電子設備之一，自帶多種傳感器，因此，中學物理教師可利用智能手機輔助開展物理實驗。物理是一門以實驗為基礎的自然學科，中學生在學習物理知識的過程中必定會學習物理實驗知識。現在的智能手機具有多種功能，可輔助教師完成不少傳統物理實驗，甚至可以幫助教師創新設計物理實驗。本文旨在研究智能手機中Phyphox軟件在中學物理實驗中的應用。

一、 Phyphox軟件介紹

Phyphox是一款手機應用軟件，主頁菜單中有原始傳感器、力學、聲學、工具、日常生活、計時器等多個項目功能［1］。在中學物理實驗教學中，教師可以合理引入Phyphox軟件，充分發揮該軟件的優勢，以提升實驗教學的效果。本文主要探究如何利用智能手機中的Phyphox軟件探究加速度與力、質量的關系。

二、應用案例

新的高中物理課程標準要求學校充分利用已有的實驗器材，努力開發適合本校情況的實驗課程資源，盡可能讓學生自己動手多做實驗，提升學生的物理學科核心素養。“探究加速度與力、質量的關系”實驗屬于人教版物理必修第一冊第四章的內容［2］，是學生必做的高中物理實驗之一。

物理教材的《實驗：探究加速度與力、質量的關系》一課中參考案例一探討了如何利用補償阻力法探究加速度與力、質量的關系。在利用補償阻力法探究加速度與力、質量的關系時，教師要注意以下幾個方面的問題：（1）實驗前要把長木板遠離定滑輪的一端用木塊墊高，通過調節長木板傾角使小車在不受牽引（細線下端未掛槽碼）時能做勻速直線運動；（2）實驗過程中可以通過改變細線下方懸掛槽碼的個數來改變小車所受的合外力或通過增減小車內砝碼的個數來改變小車的總質量。在根據該方案開展實驗時，由于學生已較為熟悉打點計時器的操作和使用，因此其能夠定量測出加速度的值。但此參考案例需要學生平衡摩擦力，而平衡摩擦力的相關實驗操作步驟對中學生而言有一定難度。此外，此參考案例中，學生需要運用打點計時器，并處理紙帶數據，而處理紙帶數據運算量較大，耗時較長且易出錯，不容易得出相應的實驗結論。

教材中參考案例二探討了如何通過位移之比測量加速度之比。兩輛相同的小車同時開始做初速度為零的勻加速直線運動，相同時間內通過的位移之比就可以作為它們的加速度之比。該方案具有實驗原理簡單、實驗器材易得、學生操作簡便的優點。但該方案沒有定量測出加速度的大小，缺乏直接證據說明加速度與力、質量的關系，因此也無法直接得到加速度與力、加速度與質量之間的關系圖像。

筆者在教材實驗案例的基礎上設計了創新實驗，引入了Phyphox軟件。在此實驗中，學生可利用Phyphox軟件中的“加速度（不含g）”功能測量小車在長木板上運動的加速度，利用Excel軟件處理實驗數據并畫出圖像，分析加速度與力、質量的關系，從而得出實驗結論。

（一）實驗原理

本實驗主要運用了控制變量法：當小車質量一定時，探究加速度與力的關系；當小車所受的力一定時，探究加速度與質量的關系。Phyphox軟件中的“加速度傳感器”功能主要是通過手機坐標系在x、y、z軸的位移變化來測量物體運動的加速度的［3］。

（二）主要實驗器材

本實驗主要用到的儀器如下：一端有定滑輪的長木板（軌道）、磁吸式手機支架、能固定磁吸式手機支架的小車、下載安裝有Phyphox軟件的智能手機、天平（含配套砝碼）、電子秤、小桶、細線、鉤碼、筆記本電腦等。實驗裝置如圖1所示。

（三）實驗操作過程

1.先將磁吸式手機支架固定在小車上，再將一塊引磁貼片固定在手機背面。做實驗前先用天平或電子秤測量空桶、手機（含引磁貼片）、小車（含磁吸式手機支架）等物體的質量。

2.用磁吸式手機支架將手機固定在小車上。打開智能手機自帶的測距儀軟件，選擇水平儀功能，微調手機角度，直至變綠。

3.測量加速度之前應補償阻力，平衡摩擦力。先調節長木板傾角，再輕推小車，當觀察到加速度為零時，說明已平衡摩擦力。若觀察到的加速度不為零，則需要繼續調節長木板傾角，并輕推小車，直至觀察到的加速度為零。

4.先用筆記本電腦連接智能手機熱點，再打開智能手機中的Phyphox軟件，在菜單頁面找到“原始傳感器”并點擊，進入“加速度（不含g）”功能界面。點擊界面右上角“…”號，選擇“啟用遠程訪問”功能。確認安全警告后，在電腦端瀏覽器中輸入智能手機Phyphox界面下方出現的網址，即可在電腦上同步觀測相應實驗數據。

5.在測量一組加速度時，先將鉤碼放入小桶內，將細繩繞在定滑輪上，然后釋放小車，在小車碰到擋板前點擊屏幕上的暫停鍵，此時便可看到小車沿斜面向下做勻加速直線運動的加速度的值。

6.依次增加（減小）小桶中鉤碼的質量或依次增加（減小）小車中砝碼的質量，重復上述實驗操作，得到多組加速度數據。

（四）實驗數據分析

當小車總質量M一定時，探究小車所受的合外力F與加速度a之間的關系，具體實驗數據見表1（小車的總質量M=399 g，其中重力加速度取g=9.8 m/s2）。

根據表1的數據，用Excel軟件制作相應的圖像，如圖2所示。

由上圖可知加速度a隨力F的變化關系圖像近似一條過原點的直線，由此可以得出結論：當物體質量M一定時，加速度a與力F成正比。

當小車所受的力F一定時，探究小車加速度a與質量M的關系，具體實驗數據見表2（鉤碼和桶總質量m=55 g）。

根據表2的數據，可得出圖3。由圖3可知，加速度a與小車質量M的關系圖像是一條曲線，不能很好地歸納出加速度a與小車質量M的關系。如若將圖像橫坐標物理量換為小車質量的倒數1/M，則可得圖4。由圖4可以發現加速度a與小車質量的倒數1/M的關系圖像近似一條過原點的直線，由此可以得出結論：當物體所受的力F一定時，加速度a與質量M成反比。

（五）教學反思

在探究加速度與力、質量的關系時，本創新實驗可以有效降低實驗操作和數據處理的難度，提高加速度測量的準確性，節約紙帶。此外，本創新實驗能將生活實際應用與課堂知識學習有機融合，激發學生對物理實驗學習的興趣，并對智能手機在校園生活中的使用起到正面的引導作用。當然，傳統實驗更能讓學生深刻地理解如何用逐差法求解加速度。將智能手機引入中學物理實驗課堂主要是為了精簡實驗裝置，簡化計算過程，提高實驗效率，教師不能完全拋棄傳統實驗。

結語

智能手機應用商城中物理實驗輔助軟件有很多，Phyphox軟件只是其中一個。本文篇幅有限，只能著重介紹如何利用智能手機中的Phyphox軟件探究加速度與力、質量的關系。除了用Phyphox軟件輔助中學物理實驗教學，將Phyphox軟件與微控制器結合在一起進行開發研究也是當下物理創新實驗設計的一個方向，但這對實驗創新人員也提出了更高的技術要求。

除了要把基本的教學內容教授給學生，中學物理教師還要時刻關注時代與科技發展的動向，把適宜的信息技術融入物理實驗教學課堂，以激發學生的學習興趣，提升學生的科學素養。本文結合具體案例，對Phyphox軟件在中學物理實驗課堂中的應用進行了探討，希望能為相關教師提供有益參考。

［參考文獻］

楊沛蕓.智能手機在初中物理實驗教學中的應用［D］.重慶：西南大學，2021.

林春丹，葛運通，成君寶，等.巧用智能手機做偏振光實驗和超重失重實驗［J］.物理實驗，2017，37（9）：16-19.

周和建.利用智能手機巧做物理實驗［J］.物理之友，2022，38（6）：55-58.