手機(jī)傳感器在向心加速度教學(xué)中的應(yīng)用

楊潤(rùn)蓮 葉子萱 龔杰 吳彬垚 龔曉波 陳曉莉

【摘 要】利用智能手機(jī)中的傳感器技術(shù)，借助傳感器套件phyphox軟件中加速度與陀螺儀傳感器功能，分別測(cè)出加速度和角速度ω的大小。通過(guò)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，定量地得出向心加速度的大小公式，從而加深學(xué)生對(duì)公式的理解與記憶。本文主要介紹了phyphox 軟件的安裝與功能、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】手機(jī)傳感器;phyphox 軟件;向心加速度;應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G633.7 ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ?【文章編號(hào)】1671-8437（2020）04-0244-02

1 ? 引言

做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體速度大小不變但方向時(shí)刻改變，稱之為向心加速度。2019年新版高中物理人教版教材先學(xué)習(xí)向心力，再學(xué)習(xí)向心加速度。向心加速度的大小根據(jù)牛頓第二定律由向心力大小公式得出，在后面的拓展學(xué)習(xí)中，再運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法結(jié)合數(shù)學(xué)中極限、微分等推導(dǎo)得出向心加速度的計(jì)算公式，但是向心力的大小只是在定性實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)上得出的[1]。由此可見，如何得出向心加速度定量公式是值得廣大教師思考的。

目前，越來(lái)越多的老師嘗試在物理課堂上使用智能手機(jī)幫助物理教學(xué)，如：文獻(xiàn)[2]使用手機(jī)拍照、錄像功能，為學(xué)生展示物理現(xiàn)象，增強(qiáng)課堂的趣味性;文獻(xiàn)[3]使用手機(jī)作為光源或接收源，向?qū)W生展示光學(xué)現(xiàn)象;文獻(xiàn)[4]利用手機(jī)上物理實(shí)驗(yàn)室程序，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，等。隨著智能手機(jī)的功能被不斷開發(fā)，智能手機(jī)輔助教學(xué)將逐漸成為一種流行的教學(xué)方式。本文利用智能手機(jī)中的傳感器技術(shù)，使用加速度與陀螺儀傳感器分別測(cè)量出加速度和角速度ω的大小，從而定量地得出向心加速度的大小公式。

2 ? 傳感器套件phyphox 軟件下載及功能簡(jiǎn)介

2.1 ?下載軟件

打開智能手機(jī)“應(yīng)用市場(chǎng)”軟件或百度、谷歌瀏覽器，搜索關(guān)鍵字“傳感器”或“Sensor”，選擇傳感器套件 phyphox 軟件下載并安裝。

2.2 ?功能簡(jiǎn)介

打開phyphox軟件，該軟件為我們提供6大類29個(gè)分類實(shí)驗(yàn)，包括基礎(chǔ)傳感器（Raw Sensors）、聲學(xué)（Acoustics）、日常生活（Everyday Life）、機(jī)械類（Mechanics）、計(jì)時(shí)（Timers）、工具（Tools）部分。

在基礎(chǔ)傳感器當(dāng)中，軟件為我們提供了加速度數(shù)據(jù)的兩種表示方式，即有重力加速度與無(wú)重力加速度的情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇不同類型，以排除重力加速度對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可利用分享功能保存到手機(jī)上或者傳輸?shù)诫娔X上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，方法如圖2所示。

陀螺儀功能，可以測(cè)量手機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，Absolute 值表示各方向角速度的矢量和，如圖3所示。陀螺儀的角速度數(shù)據(jù)，可以在高中物理圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中使用。

利用phyphox軟件上述功能，可以為學(xué)生演示許多物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生展示生活中的物理，使學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)帶給生活的改變。

3 ? 手機(jī)傳感器在高中物理向心加速度教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 ? 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

探究做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體加速度與角速度、半徑的關(guān)系。

3.2 ? 實(shí)驗(yàn)器材

安裝phyphox軟件智能手機(jī)一部、電腦一臺(tái)、轉(zhuǎn)盤一個(gè)。

3.3 ? 實(shí)驗(yàn)步驟

在實(shí)驗(yàn)中，保持半徑r不變，通過(guò)測(cè)量加速度與角速度ω大小，確定與ω的定量關(guān)系;再改變半徑r大小，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定與r的定量關(guān)系。

（1）打開手機(jī)，選擇phyphox軟件，點(diǎn)擊 Centripetal acceleration功能，將手機(jī)固定在轉(zhuǎn)盤上;

（2）測(cè)量此時(shí)手機(jī)固定點(diǎn)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離，并記錄數(shù)據(jù);

（3）點(diǎn)擊運(yùn)行后以不同轉(zhuǎn)速充分轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，使手機(jī)記錄足夠的數(shù)據(jù);

（4）停止轉(zhuǎn)動(dòng)并關(guān)閉運(yùn)行，將實(shí)驗(yàn)曲線截圖保存，后續(xù)用電腦處理;

（5）更換手機(jī)固定點(diǎn)，即改變半徑r再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn);

（6）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.4 ? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

（1）手機(jī)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離r1=0.2m，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤至自動(dòng)停止后，得到數(shù)據(jù)如圖4左所示，縮短手機(jī)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離r2=0.1m，得到數(shù)據(jù)如圖4右所示。

（2）軟件自動(dòng)為我們自動(dòng)繪制2幅圖像，圖5所示為r2=0.1m時(shí)的2幅圖像，其中上圖表示角速度ω與向心加速度的關(guān)系，下圖表示角速度ω2與向心加速度的關(guān)系。

（3）將實(shí)驗(yàn)的兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，繪制角速度ω2與向心加速度的圖像至同一圖像中，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)添加趨勢(shì)線，并顯示公式，如圖6所示。

3.5 ?實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論

通過(guò)上述圖像，可以得出：當(dāng)半徑r相同時(shí)向心加速度與角速度ω2存在線性關(guān)系，即向心加速度正比于角速度ω2，即∝ω2。當(dāng)角速度相同時(shí)，半徑越大，物體運(yùn)動(dòng)的向心加速度越大。

圖像中斜率表示向心加速度與角速度ω2的比值，由圖像擬合的直線方程可得，當(dāng)手機(jī)以半徑r1=0.2m做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，比值為0.1941，當(dāng)手機(jī)以半徑r2=0.1m做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，比值為0.1076。測(cè)得的半徑大小與實(shí)際半徑大小的百分誤差分別為2.95%和7.06%，兩組數(shù)據(jù)均在實(shí)驗(yàn)誤差之內(nèi)，由此可以判斷，當(dāng)運(yùn)動(dòng)角速度ω一定時(shí)，向心加速度與物體做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r成正比，即∝r。結(jié)合以上結(jié)論，可得加速度與角速度ω、半徑r之間的關(guān)系：=ω2r。

4 ? 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的不斷發(fā)展，智能手機(jī)的功能也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大，在今后的教學(xué)中，科技產(chǎn)品輔助教學(xué)的可行性將會(huì)越來(lái)越高，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)很有可能在今后的物理教學(xué)中扮演越來(lái)越重要的角色，教師要跟隨時(shí)代潮流，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，發(fā)揮智能手機(jī)的教育價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛明駿，陳增宇，黃宏銳，等.基于手機(jī)傳感器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].教育現(xiàn)代化，2019（20）.

[2]張丹彤.讓智能手機(jī)成為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好幫手[J].物理教師，2014（11）.

[3]林春丹，葛運(yùn)通，成君寶，張晶晶，張萬(wàn)松.巧用智能手機(jī)做偏振光實(shí)驗(yàn)和超重失重實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017（9）.

[4]孫少輝.智能手機(jī)在中學(xué)物理教學(xué)中的運(yùn)用[J].物理之友，2015（4）.

【作者簡(jiǎn)介】

楊潤(rùn)蓮（1999～），女，漢族，云南馬龍人，西南大學(xué)物理學(xué)專業(yè)2017級(jí)本科學(xué)生。

【通訊作者】

陳曉莉（1966～），女，漢族，重慶市梁平人，副教授，碩士，研究方向：課程與教學(xué)論（物理）研究工作、（物理）研究工作。