基于Phyphox軟件探究電梯中的超重和失重現(xiàn)象

盧順興

(廣東省廣州市執(zhí)信中學(xué) 廣東 廣州 510006)

對(duì)物理教育實(shí)驗(yàn)而言，現(xiàn)代智能手機(jī)中日益豐富和完善的傳感器是一種頗有前景和經(jīng)濟(jì)效益的工具[1]．結(jié)合軟件開(kāi)發(fā)，智能手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種物理量的測(cè)量，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新穎的方法和途徑．本文以Phyphox軟件為例，有機(jī)結(jié)合電梯中的超重和失重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，展示優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新方式．

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足與Phyphox的特點(diǎn)

超重是指當(dāng)物體的加速度向上時(shí)，物體對(duì)支撐物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?大于物體所受重力的現(xiàn)象．失重是指當(dāng)物體加速度向下時(shí)，物體對(duì)支撐物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?小于物體所受重力的現(xiàn)象．本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到超重和失重現(xiàn)象的條件，學(xué)生常見(jiàn)的認(rèn)知誤區(qū)是超重和失重與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)．

常規(guī)教學(xué)中，為突破這一教學(xué)難點(diǎn)，教師們主要利用彈簧測(cè)力計(jì)與鉤碼或者體重計(jì)稱(chēng)體重．從簡(jiǎn)單的彈簧測(cè)力計(jì)配合鉤碼上下運(yùn)動(dòng)，到復(fù)雜的自制基于滑輪組的超重失重演示儀等[2，3]．這些方式的好處是現(xiàn)象簡(jiǎn)單明了，不足之處在于彈簧測(cè)力計(jì)(或體重計(jì))的顯示結(jié)果大多情況下是轉(zhuǎn)瞬即逝的，另外自制演示儀的制作可能比較復(fù)雜，或者操作可能不是特別簡(jiǎn)便．還有的教師選擇通過(guò)小組活動(dòng)等形式在真實(shí)的電梯情境中進(jìn)行超重和失重的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)方式的好處是情景體驗(yàn)真實(shí)，不足之處是難以大規(guī)模展開(kāi)，也難以在課堂上實(shí)施．除此之外，這些方式都不能測(cè)出加速度，更無(wú)法將超重失重現(xiàn)象與加速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地、直觀(guān)地聯(lián)系到一起，而這正是學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)．

因此，較新的研究著眼于通過(guò)手機(jī)傳感器測(cè)出物體在不同運(yùn)動(dòng)階段的加速度[4，5]．Phyphox正是一款這樣的軟件．這個(gè)軟件由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)，一經(jīng)面世便受到廣泛關(guān)注和好評(píng)，不同于其他軟件，除了有單獨(dú)的傳感器和實(shí)用工具，它還將不同的傳感器進(jìn)行模塊化組合，方便研究者研究和分析滾動(dòng)、單擺、超重和失重等多種基本運(yùn)動(dòng)[6]．已有的一些研究利用手機(jī)傳感器雖然測(cè)出了加速度，得到了整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的加速度變化圖像，但是未能解決現(xiàn)象與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、同時(shí)生成和呈現(xiàn)的問(wèn)題．

在上述多種研究成果的基礎(chǔ)上，本文基于Phyphox軟件，在電梯中進(jìn)行稱(chēng)體重的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多角度錄像和后期視頻剪輯，將超重、失重現(xiàn)象與實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)同時(shí)呈現(xiàn)，以期能夠提供一種形象生動(dòng)的、新穎的、能廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)方式．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境及裝置如圖1所示．所用實(shí)驗(yàn)器材包括指針式體重計(jì)、安裝Phyphox的智能手機(jī)、錄像機(jī)．本次實(shí)驗(yàn)主要使用該軟件的一個(gè)組合模塊“電梯”，其運(yùn)行界面如圖2所示．該模塊利用氣壓計(jì)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電梯所處的高度，基于所得的高度結(jié)合算法得到速度隨時(shí)間變化的圖像，而電梯加速度隨時(shí)間變化的圖像則是通過(guò)另一個(gè)傳感器——加速度傳感器得到的．

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和裝置

圖2 Phyphox運(yùn)行界面

實(shí)驗(yàn)者站在電梯里的體重計(jì)上，當(dāng)電梯上升或下降時(shí)，實(shí)驗(yàn)者對(duì)體重計(jì)壓力的變化情況將通過(guò)錄像機(jī)拍攝．與此同時(shí)手機(jī)傳感器生成加速度隨時(shí)間變化的圖像，利用手機(jī)錄屏功能可以記錄下這一變化過(guò)程．

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)者站到體重計(jì)上，將手機(jī)擺放到體重計(jì)上，調(diào)整錄像機(jī)位置進(jìn)行俯拍，保證可以清晰地拍攝體重計(jì)示數(shù)，如圖3所示．

圖3 錄像機(jī)拍攝體重計(jì)示數(shù)畫(huà)面

(2)打開(kāi)手機(jī)的Phyphox軟件，進(jìn)入“電梯”模塊界面．點(diǎn)擊右上角的三角形按鈕，傳感器開(kāi)始工作．

(3)待手機(jī)傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，啟動(dòng)電梯上升．電梯樓層變化范圍以3～6層為宜．

(4)電梯停穩(wěn)后，暫停手機(jī)和錄像機(jī)的錄像．

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)，使電梯下降．

(6)根據(jù)需要，可以錄制電梯樓層示數(shù)變化情況及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖1和圖4所示．

圖4 電梯樓層變化情況

3 數(shù)據(jù)處理和結(jié)論

3.1 數(shù)據(jù)處理

利用會(huì)聲會(huì)影或其他視頻剪輯工具將上述幾個(gè)視頻拼接到同一畫(huà)面中，如圖5所示．

圖5 實(shí)驗(yàn)視頻畫(huà)面

實(shí)驗(yàn)者的體重約為73 kg，電梯上升過(guò)程中，當(dāng)示數(shù)突然增大，可以觀(guān)察到此時(shí)加速度是向上的，如圖6所示．

圖6 電梯向上啟動(dòng)

當(dāng)示數(shù)恢復(fù)為73 kg時(shí)，觀(guān)察到加速度為零，如圖7所示．

圖7 電梯勻速向上運(yùn)動(dòng)

當(dāng)示數(shù)減小時(shí)，觀(guān)察到加速度方向向下，如圖8所示．

圖8 電梯向上減速停止

電梯下降過(guò)程也同樣記錄數(shù)據(jù)，最終將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄于表1中．

表1 電梯超重和失重現(xiàn)象記錄表

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從表格數(shù)據(jù)看來(lái)，超重和失重現(xiàn)象與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，與加速度方向有關(guān)．由此可以總結(jié)出超重和失重現(xiàn)象的條件：加速度向上，發(fā)生超重現(xiàn)象；加速度向下，發(fā)生失重現(xiàn)象．

4 結(jié)束語(yǔ)

利用手機(jī)傳感器作為主要的測(cè)量工具，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，再配合視頻剪輯，本次實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程使電梯中的超重和失重現(xiàn)象走入常規(guī)課堂，與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系．另外，此探究過(guò)程不僅實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰明了，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程可控，教師可以根據(jù)課堂節(jié)奏和學(xué)生情況自主控制．

智能手機(jī)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以提供創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法和新穎的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有助于教師拓寬實(shí)驗(yàn)形式，增加課堂的趣味性，而且可以成為研究性學(xué)習(xí)的有力工具．目前不少學(xué)校都將研究性學(xué)習(xí)作為學(xué)生課外學(xué)習(xí)的重要途徑，通過(guò)研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠自主地進(jìn)行科學(xué)探究，獲取知識(shí)．在本課結(jié)束后，筆者所教班級(jí)有一個(gè)小組基于Phyphox自主完成了測(cè)量身高的研究性學(xué)習(xí)課題，可見(jiàn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入手機(jī)傳感器有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促進(jìn)自主探究．