巧用智能手機(jī)做物理實驗

張振

(寧波市鄞州高級中學(xué) 浙江 寧波 315194)

手機(jī)作為現(xiàn)代生活的隨身用品，其功能已不僅僅是打電話發(fā)短信，而是越來越智能化．利用手機(jī)，可以照相、上網(wǎng)、娛樂等，給人們的生活帶來了很大的方便．而在筆者看來，如今的手機(jī)還是一個可隨身攜帶的物理小實驗室，利用其強(qiáng)大的硬件、豐富的軟件，各種聲、光、距離、重力、加速度、磁場、氣壓、溫度、濕度等傳感器，可以設(shè)計制作很多物理實驗，不僅方便，還能大大激發(fā)學(xué)生探究物理的興趣和熱情．

本文就利用安卓操作系統(tǒng)的智能觸屏手機(jī)，結(jié)合部分軟件，做一些簡單易行的物理實驗，供大家參考．

1 力學(xué)實驗

1.1 各種基本測量

在手機(jī)中下載一款“超級瑞士軍刀”的軟件，該軟件基于手機(jī)自帶的各種傳感器和硬件等，設(shè)計了不少應(yīng)用，如圖1所示．

圖1 手機(jī)自帶的各種傳感器的圖標(biāo) 圖2 基本測量工具

如利用基本測量工具，可以測量物體的長度、角度；利用水平儀可以判斷實驗平臺是否水平，如圖2所示.

利用鉛垂線結(jié)合攝像頭可以判斷是否垂直或與豎直方向的夾角.如圖3所示，為利用該功能研究安培力大小時線框的偏轉(zhuǎn)角.還可以根據(jù)軟件的操作說明，估測目標(biāo)物體的高度、距離等，如圖4所示為筆者用該功能估測的教學(xué)樓高度；這些功能對于輔助物理實驗提供了很大的便利．

圖3 鉛垂線測量 圖4 估測目標(biāo)物體的參數(shù)

1.2 超失重的研究

現(xiàn)在的智能手機(jī)基本都帶有加速度傳感器，重力感應(yīng)器等．在手機(jī)中下載一款叫“AndroSensor”的軟件，可以用數(shù)字、圖像等形式顯示手機(jī)自帶的各種傳感器的測量值．

實驗一：下蹲起立過程的超、失重情況

圖5

打開軟件中加速度傳感器測量值的動態(tài)曲線圖，能顯示XYZ三方向的加速度變化情況，我們只研究豎直方向，故將手機(jī)面朝上水平手持，先下蹲，過一小段時間起立，可以得到如圖5的曲線，若以初始水平線為零參考面，很明顯可以看到下蹲過程加速度先為負(fù)后為正(即方向先向下后向上，先失重后超重)，同理起立過程加速度先正后負(fù)(即方向先向上后向下，先超重后失重)，十分直觀．

實驗二：自由落體、豎直上拋和下落

還是利用這個動態(tài)曲線圖，水平手持手機(jī)，使其自由下落后用手接?。缓髮⑹謾C(jī)面朝上豎直向上拋出，并在下落時將其接?。傻萌鐖D6所示的曲線，通過圖像，不僅可以看到一小段水平線是指穩(wěn)定下落時的加速度g，還可以看到拋出和接住這一小段時間內(nèi)手機(jī)加速減速的情況，一目了然，這比傳統(tǒng)的實驗更能激發(fā)學(xué)生的興趣，提高實際問題的分析能力．

圖6

1.3 慣性實驗

在手機(jī)下放一張紙，并將手機(jī)置于桌子邊緣，迅速水平抽出紙張，手機(jī)幾乎未移動，當(dāng)然也就沒有摔落地面．相比傳統(tǒng)用木塊等，手機(jī)基于其貴重和脆弱，更能突出實驗效果的有驚無險．

1.4 機(jī)械振動和機(jī)械波

實驗三：聲音產(chǎn)生的原因

將手機(jī)調(diào)成振動放于桌面，用另一手機(jī)撥打，可聽到桌面因手機(jī)振動而發(fā)出聲音，用手摸桌面，可明顯感受到桌面的振動，說明聲音是由振動而產(chǎn)生的．

實驗四：機(jī)械波傳播需要介質(zhì)

將手機(jī)調(diào)成響鈴和振動，通過細(xì)線掛于一個玻璃罩內(nèi)，用另一個手機(jī)撥打，可聽到玻璃罩內(nèi)手機(jī)的鈴聲和振動聲．將玻璃罩內(nèi)抽成真空，再次撥打，可看到玻璃罩內(nèi)的手機(jī)在響鈴、振動，但玻璃罩外的人卻聽不到聲音．說明聲音等機(jī)械波不能在真空中傳播，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)．

1.5 利用GPS測速度

現(xiàn)在智能手機(jī)基本都帶有GPS模塊，結(jié)合軟件，可以導(dǎo)航，測速，定位等，可謂功能強(qiáng)大．將手機(jī)隨交通工具攜帶，打開“AndroSensor”軟件，可以得到該交通工具實時的瞬時速度和所在位置的經(jīng)緯度等信息，圖7(b)中Speed：3.6 Km/h為筆者行走時大致的瞬時速度．

要說明的是，由于GPS有一定的滯后性，不能用于精確測速，但可以估測較遠(yuǎn)距離間運(yùn)動的平均速度和大致的速度變化情況等．

1.6 利用GPS估算地球半徑

圖7

1.7 多普勒效應(yīng)

用手機(jī)打開一段音調(diào)不變的聲音文件(可事先錄音)，將手機(jī)移近或遠(yuǎn)離耳朵，可感受到音調(diào)的高低變化，可知波源和觀察著之間相對運(yùn)動時，波源頻率不變，而接受到的波的頻率改變．

2 電磁學(xué)實驗

2.1 電磁波可在真空中傳播

在上述“機(jī)械波傳播需要介質(zhì)”的實驗中，抽成真空的玻璃罩內(nèi)的手機(jī)依然能接收到信號，而且也可以看到手機(jī)屏幕上的畫面，說明電磁波可以在真空中傳播．

2.2 電磁波的屏蔽

實驗五：一個開口的金屬罐內(nèi)放入手機(jī)，用另一手機(jī)撥打，能接通．再將金屬罐的蓋子密閉封緊，再次撥打，將無法接通，說明電磁波被金屬罐屏蔽．

實驗六：將手機(jī)放于金屬網(wǎng)罩內(nèi)，用另一手機(jī)撥打，可接通．

結(jié)論：很多人把實驗五認(rèn)為是靜電屏蔽，通過實驗六可以很明顯發(fā)現(xiàn)，其實不是．電磁波屏蔽的原理不同于靜電屏蔽．簡單來說，第一個實驗接不通是因為電磁波被金屬吸收、反射．而第二個實驗由于金屬間隙較大，電磁波被金屬吸收，反射很少，大量衍射，故能接收到信號．

2.3 電阻屏與電容屏

兩個觸屏手機(jī)A和B，手持塑料筆，點擊屏幕，A手機(jī)有響應(yīng)，而B手機(jī)毫無反應(yīng)．當(dāng)用手指近乎無擠壓地輕微接觸屏幕，A手機(jī)無反應(yīng)，而B手機(jī)有響應(yīng)．這是怎么回事呢？

原來A手機(jī)是電阻式觸摸屏，而B手機(jī)是電容式觸摸屏．其原理簡單來說，電阻屏通過壓力感應(yīng)原理來實現(xiàn)對屏幕內(nèi)容的操作和控制．電容屏在觸摸屏幕時，由于人體電場，手指與導(dǎo)體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點，從而準(zhǔn)確算出觸摸點的位置．所以，電容屏反應(yīng)更為靈敏，手機(jī)的觸摸體驗更好．這類現(xiàn)象已出現(xiàn)在部分考題中，要是做過此類實驗，理解自然更為深刻．

2.4 探測磁場強(qiáng)弱

智能手機(jī)基本都帶有磁場傳感器，可以設(shè)計如下小實驗．

實驗七：打開指南針，可以判斷周圍空間的磁場的方向．如圖8演示的是通電環(huán)形線圈沿中心軸線的磁場方向．

圖8 判斷磁場方向

實驗八：由于“AndroSensor”軟件只能顯示XYZ三方向的磁場強(qiáng)弱，不能顯示合磁場的強(qiáng)度變化曲線，所以筆者下載了一款叫“Tricorder”的軟件，該軟件同“AndroSensor”一樣功能強(qiáng)大，可以通過傳感器探測很多信息，并可顯示空間磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況．打開軟件選擇磁場，打開Scan，并將手機(jī)水平沿通電線圈的中心軸線勻速穿過去[圖9(a)]，從軟件界面可實時得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況[圖9(b)]．

圖9 顯示空間磁場的變化

3 光學(xué)實驗

3.1 “捕捉”紅外線

一般遙控器前段都有一個“小燈”，但平時即使按鍵使用遙控器時，也從來不會看到它發(fā)光[圖10(a)]．現(xiàn)將遙控器對準(zhǔn)攝像頭，按鍵使用遙控器，在手機(jī)屏幕上可以看到那個從來不亮的點竟然發(fā)光了[圖10(b)]．這是怎么回事？

圖10 “捕捉”紅外線

原來遙控器發(fā)射的一般是紅外線，而紅外線頻率不在可見光范圍內(nèi)，肉眼當(dāng)然看不見，而攝像頭的感光范圍大于人眼，可以“捕捉”到紅外線．要說明的是，絕大多數(shù)手機(jī)的攝像頭都可以拍攝到紅外線，但并不是所有手機(jī)都能實現(xiàn)，有些攝像頭裝了特殊的濾鏡就不行．

3.2 偏振現(xiàn)象

打開手機(jī)屏幕，將一塊偏振片放于手機(jī)屏幕上，旋轉(zhuǎn)偏振片，透過偏振片可看到手機(jī)屏幕的明暗變化，有時幾乎透明[圖11(a)]，有時幾乎完全不透光[圖11(b)]．

圖11 手機(jī)屏幕上觀察偏振現(xiàn)象

這是因為在手機(jī)液晶屏中有偏振片，手機(jī)屏幕發(fā)出的是偏振光，再通過一個偏振片，自然可以觀察到光強(qiáng)的變化．在生活中，其實絕大多數(shù)液晶顯示屏發(fā)出的都是偏振光，如計算器，液晶電腦顯示器，液晶電視等，可以用一塊偏振片加以驗證，現(xiàn)象非常明顯．

利用這個原理，可以很方便地用手機(jī)驗證市面上某些太陽鏡的鏡片是否真是偏振片．另外要說明的是，個別高端手機(jī)屏幕比較特殊，可能不能明顯觀察到此類現(xiàn)象．

4 結(jié)束語

其實手機(jī)的各個硬件，無不包含了各種物理原理，而且高端手機(jī)搭載的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器等更可用來測量海拔高度，研究飽和氣壓和環(huán)境溫度的關(guān)系等．可以預(yù)見，今后手機(jī)也必將出現(xiàn)更多新的傳感器，硬、軟件功能也將更為強(qiáng)大，這會給我們生活帶來更大便利．同時這也給物理教學(xué)中的實驗提供了更多的素材．本文僅拋磚引玉，以期有更多、更好、更巧妙的實驗，利用隨身攜帶的手機(jī)來實現(xiàn)．