“用手機測自由落體加速度”教學方案的改進優化

【摘要】本文對人教2019年版高中物理教科書數字化實驗“用手機測自由落體加速度”進行優化，提出改進方案，借助Phyphox軟件，讓學生經歷科學探究過程，了解手機傳感器的功能，體會自由落體運動的特點，培養學生的核心素養.

【關鍵詞】實驗教學；自由落體；高中物理

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確提出“要重視數字實驗，創新實驗方式”，并給出相關定義——“數字實驗系統是利用傳感器、數據采集器等收集實驗數據，用計算機軟件分析實驗數據、得出實驗結果的現代化實驗系統”［1］.人教2019年版普通高中教科書物理必修第一冊教師教學用書中針對數字化實驗提出的要求是“學生應盡早接觸、學習和應用”［2］.物理必修第一冊第二章第四節“自由落體運動”一節，教材設置了做一做“用手機測自由落體加速度”.本文在教學中對實驗方案作了優化設計，并用科學探究的方法設計實驗步驟，讓學生應用科學方法，經歷科學探究，進而建立科學思維，形成物理觀念.

1 問題的提出

教材“用手機測自由落體加速度”方案中有4個不好解決的問題.

1.1 智能手機加速度圖線顏色不確定

問題1：不同智能手機，應用程序安裝完備后，首先應該明確手機傳感器中x，y，z軸的定義方式，不同系統中定義的x，y，z軸正方向可能不同［3］，顯示的加速度圖線顏色不同，要根據具體實驗中使用手機的顯示情況確定x，y，z對應的圖線.

1.2 手機脫離手掌自由下落難以實現

問題2：因為人的反應時間有差別，很難做到手掌迅速向下運動時，讓手機脫離手掌而自由下落；實際操作時手機很容易發生翻轉，測出的數據誤差較大.

1.3 實驗數據表述粗略

教材表述：“從圖中可以看出，黃色圖線有一小段時間的數值是－10m/s2，這就是自由落體加速度，方向向下.”［4］

問題3：圖線有一小段時間的數值接近于-10m/s2，并不是－10m/s2；對于“-”號的含義也沒有交代清楚；方向豎直向下，而不是方向向下.

1.4 坐標軸代表的加速度方向交代不清

教材表述：“我們還能看到，自由落體之后有一個向上的波峰，這是用手接住手機時手機做減速運動的加速度，方向向上.”［4］

問題4：一是沒有明確指出坐標軸方向代表的加速度方向，二是“方向豎直向上”，而不是“方向向上”.

2 方案的改進

2.1 將手機長邊豎直放置進行實驗研究

用拇指和食指捏著手機長邊豎直放置在水平桌面上，筆者所用手機加速度傳感器（不含g）界面會看到綠、藍、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機沿圖1所示方向的加速度變化情況，這樣放置，y軸表示豎直方向的加速度變化情況.

2.2 讓手機長邊保持豎直自由落下

經多次實驗操作，筆者發現，只要做到兩點，一是保證拇指和食指捏著手機時不抖動，二是松開拇指和食指時保證手機不晃動，讓手機長邊保持豎直自由落下，手機就能沿豎直方向自由落下，當接觸到海綿墊時發生反彈，在Phyphox加速度傳感器（不含g）界面就會出現較為理想的實驗圖線.

3 科學探究

3.1 實驗目的

用手機測武威市區自由落體加速度.

3.2 實驗器材

智能手機，Phyphox實驗軟件中的加速度傳感器（不含g），海綿墊，計算機.

3.3 實驗原理

智能手機安裝Phyphox實驗軟件，在加速度傳感器（不含g）界面會看到綠、藍、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機沿圖1所示方向的加速度變化情況.將實驗數據導出到釘釘APP，在計算機上分析可得武威市區自由落體加速度的大小和方向.

3.4 實驗步驟

（1）用拇指和食指捏著手機長邊豎直放置在水平桌面上，開啟Phyphox加速度傳感器（不含g），讓手機水平移動一下，可以看到加速度圖線的x軸綠線和z軸黃線出現一段波動圖線.

（2）把手機沿豎直方向移動一下，可以看到x軸綠線、y軸藍線和z軸黃線均出現一段波動圖線，實驗表明，藍色圖線記錄手機豎直方向的加速度.

說明：系統默認豎直向上為加速度正方向，豎直向下為加速度負方向.

（3）在實驗臺上放好海綿墊，做好手機安全防護的前提下，用單手的拇指和食指捏住手機，確保手機長邊豎直，設置Phyphox定時運行，延遲3秒，運行2秒.

（4）點擊開始按鈕，倒計時讀秒3，2，1，當手機屏幕上出現測量數據時，突然彈開拇指和食指，釋放手機，手機就會自由落下，Phyphox就會自動完成數據采樣和圖標繪制，程序在運行2秒之后自動停止.

（5）觀察手機屏幕上加速度傳感器的圖線，如圖2所示.從圖2中可以看到，藍色圖線有一小段平行于時間軸，這是手機做自由落體運動的加速度；我們還能看到，自由落體運動之后還有一個向上的波峰，這是手機落到實驗臺時手機做減速運動的加速度，方向豎直向上.

（6）手機導出實驗數據到釘釘APP.

3.5 實驗數據分析

說明：在手機導出實驗數據的Excel表格中共有5列，A列表示時間，B列表示x軸方向的加速度，C列表示y軸方向的加速度，D列表示z軸方向的加速度，E列表示絕對加速度.本實驗中y軸方向的加速度，即為豎直方向的加速度.

在多次實驗數據中分析比較，選擇最理想的一組實驗數據進行數據分析，如圖3所示，數據C列中有一小段時間內的加速度數值大小接近于自由落體加速度的標準值9.80665m/s2.

經查閱，北京市位于北緯39°56′，自由落體加速度為9.801m/s2；上海市位于北緯31°12′，自由落體加速度為9.794m/s2；武威市位于北緯37°93′，可以確定武威市自由落體加速度介于9.801m/s2和9.794m/s2之間，從圖3實驗數據可知，自由落體加速度約為-9.797 m/s2，根據系統默認的加速度方向，可以確定武威市區自由落體加速度大小約為9.797 m/s2，方向豎直向下.

3.6 實驗誤差分析

實驗數據Excel表格中，B列實驗數據表示x軸方向有較小的加速度，D列實驗數據表示z軸方向也有較小的加速度，表明手機并不是只做豎直方向的運動.

師生討論總結可能造成實驗誤差的原因，如表1所示.

4 教學啟示

4.1 實驗方案優化增強了實驗效果

對于“用手機測自由落體運動加速度”實驗方案的優化，切實解決了實驗效果不佳以及實驗數據粗略的問題；課堂教學中學生對于新型科學技術表現出了濃厚的興趣.

4.2 充分發揮了Phyphox軟件適時記錄實驗數據的功能

實驗中Phyphox軟件適時記錄實驗數據，導出到釘釘APP，在Excel表格中可以方便地對比實驗數據，省略了計算的過程，節省了實驗的時間.

4.3 遵循科學探究規律，培養學生的核心素養

“用手機測自由落體運動加速度”實驗優化改進，讓學生經歷了科學探究的完整過程，突出問題、證據、解釋、交流等科學探究要素，培養學生的核心素養.

創造性地使用教材，讓物理實驗現象更明顯、效果更理想、科學探究要素更突出、促進學生物理核心素養落地更有效，應該成為每一位物理教師追求的教育教學目標.

【本文系甘肅省教育科學“十四五”規劃2023年度重點課題“三新課改背景下高中物理實驗規范操作及創新優化策略研究”（課題批準號：GS［2023］GHBZ173）的階段性成果】

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書教師教學用書（物理必修第一冊）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］鄒麗暉.基于手機傳感器的物理實驗教學研究——以手機加速度計測自由落體加速度為例［J］.中學物理（高中版），2019，37（05）：28-30.

［4］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理必修第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019.