身邊的實驗教學(xué)裝備

興喬++艾倫

話說裝備（十八）

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.001

目前的智能手機都具備多種傳感器，并附帶了各種測試軟件，可以對周圍環(huán)境的力、熱、聲、光、電、磁等物理量進行從簡單到復(fù)雜的測量。在校的初高中學(xué)生乃至小學(xué)生，幾乎都備有智能手機，這身邊的實驗教學(xué)裝備就給隨時進行的物理實驗創(chuàng)造了條件；而對待數(shù)據(jù)的態(tài)度和數(shù)據(jù)處理的方法則為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提供了支持。

1 智能手機中的傳感器

智能手機中配備的傳感器，絕大部分屬于MEMS（Micro Electro Mechanical System，微型電子機械系統(tǒng)，或簡稱為微機電系統(tǒng)）傳感器，它的應(yīng)用已經(jīng)涉及電子、機械、材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等多種科技領(lǐng)域。一般的智能手機上都具有了壓力傳感器、重力傳感器、加速度傳感器、角加速度傳感器、位移傳感器、方向傳感器、光傳感器、聲傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器、濕度傳感器、磁力傳感器、GPS（全球定位系統(tǒng)）定位器等。

1）壓力傳感器其實是大氣壓力傳感器，一般只能用于測量大氣壓強，但也可以根據(jù)當(dāng)前位置的大氣壓計算出海拔高度。

2）重力傳感器實質(zhì)上是重力加速度傳感器，以測量當(dāng)前位置的重力加速度值為主。

3）加速度傳感器也稱線性加速度傳感器，用于測量線性加速度或速度的變化情況。

4）角加速度傳感器也稱三軸陀螺儀傳感器，用于測量X、Y、Z這三個方向的角加速度。

5）位移傳感器也稱接近傳感器或距離傳感器，用于測量物體到手機之間的距離。

6）方向傳感器也稱電子羅盤，可測量當(dāng)前位置的東、南、西、北各個方向。

7）光傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的光照度。

8）聲傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的聲場強度。

9）溫度、濕度傳感器可以用于測量周圍環(huán)境的溫度和濕度。

10）紅外傳感器可以用于測量附近物體的紅外輻射強度。

11）磁力傳感器可以用于測量當(dāng)前位置的磁場強度。

需要說明的是，并非所有的手機都配備了上述諸傳感器，同樣也不是上述傳感器就囊括了手機傳感器的全部，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，將會有更多具有特殊功能的傳感器出現(xiàn)在手機上。相信今后的手機不僅要配備這些可用于物理學(xué)量測量的傳感器，用于化學(xué)量、生物學(xué)量測量的各種傳感器也將會逐步出現(xiàn)，屆時手機對化學(xué)、生物學(xué)實驗教學(xué)的測量儀器作用也就會展現(xiàn)出來。

2 智能手機中的測量軟件

智能手機中配備的各種傳感器為物理量的測量提供了硬件條件，為了能夠盡量準(zhǔn)確地測量和提供數(shù)據(jù)，還需要編制相應(yīng)的應(yīng)用程序來完成測量和計算。目前為各種手機編制的測量軟件已經(jīng)十分豐富，此處僅以Android（安卓）系統(tǒng)為例作簡單介紹。

1）多功能測量工具Smart Tools。這是一個集合了多個測量工具的應(yīng)用軟件，可分別測量長度、角度、坡度、距離、高度、寬度、面積、方向等；并具有金屬探測儀、全球定位系統(tǒng)、智能羅盤、聲級計、測振儀等功能。

2）超級工具箱。該軟件集成了鬧鐘、計時、手電筒、指南針、錄音機、計算器、日歷、測量尺、水平儀、垂直儀、分貝儀、計步器等12種工具。

3）自動距離。該軟件可快速測量任何物體的距離或高度，提供數(shù)據(jù)的單位為米（m），并具有三位有效數(shù)字。

4）超級尺子。該軟件具有水平儀和垂直測準(zhǔn)儀的功能，同時還提供了大距離測量，有效數(shù)字達到四位。

5）還有大量單一功能的測量工具軟件，如溫度計、聲壓分貝計、光度計、高度計、速度計、濕度計等。所有這些軟件在進行測量時，為了數(shù)據(jù)的精確性往往不是僅依靠一種傳感器，而是綜合使用多種傳感器來得到一個測量結(jié)果。例如：測量海拔高度的軟件就同時使用了壓力（氣壓）傳感器和GPS定位器；測量方向時則聯(lián)合使用了陀螺儀和電子羅盤；等等。

Android是基于Linux主要用于移動設(shè)備自由與開放源代碼的操作系統(tǒng)，其開放性為用戶開發(fā)編制該操作系統(tǒng)下的應(yīng)用軟件提供了寬松的條件。雖然在互聯(lián)網(wǎng)上可以自由下載安裝上述各種測量應(yīng)用軟件，但這些軟件未必能夠真正滿足學(xué)校實驗教學(xué)時學(xué)生對物理量的測量，所以開發(fā)新型的應(yīng)用軟件是必要的，也是可行的。

3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理

用手機測量物理量的最大問題是測得數(shù)據(jù)的可靠性，這里有兩個方面需要說明：一個是測量值與“真值”之間的差距或測量誤差的大小，即精確度；另一個是測得數(shù)據(jù)有效數(shù)字位數(shù)的多少，即分辨率。關(guān)于精確度的問題涉及到測量誤差理論，在實驗過程中一般存在兩種測量誤差：一個是構(gòu)成實驗系統(tǒng)的儀器和設(shè)備由于制造不精準(zhǔn)而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差；另一個是實驗者由于生理和心理的影響使得操作上產(chǎn)生的隨機誤差。通常，減少系統(tǒng)誤差的方法是盡量使用精度高的儀器設(shè)備和經(jīng)常對儀器設(shè)備進行校準(zhǔn)，而減少隨機誤差的方法則是在實驗中對一個數(shù)據(jù)進行多次測量。

手機中的傳感器因為成本問題使得其精度是很低的，所以在用手機作為實驗儀器的測量時，要想降低系統(tǒng)誤差是比較困難的。但是，使用手機進行測量的最大優(yōu)勢在于手機的數(shù)量多，實驗過程中有很多學(xué)生共同參與，這將會大幅度減少系統(tǒng)誤差和隨機誤差，而這一點是具有理論依據(jù)的，這個理論依據(jù)就是統(tǒng)計物理的律[1]。

律是說若一個系統(tǒng)的測量標(biāo)準(zhǔn)差（即系統(tǒng)誤差）是Δ，則隨著樣本量n的增加，測量標(biāo)準(zhǔn)差將呈現(xiàn)規(guī)律的下降。具體到物理實驗中，如果使用n=4只不同手機對同一個物理量進行測量，則測量誤差（系統(tǒng)誤差與隨機誤差）將由原來的Δ變?yōu)?.5Δ；而若使用n=100只手機測量，測量誤差就減少為0.1Δ了，即降低了一個數(shù)量級。其實在這里能夠使用律是基于一個基本假設(shè)的，那就是假設(shè)手機的設(shè)計制造都是努力地使得傳感器的測量值盡量接近真值。但由于材料上和工藝上的原因，使它們隨機地偏離了真值，并在真值附近呈正態(tài)分布。這個假設(shè)顯然應(yīng)該是成立的，因為任何一個手機傳感器的設(shè)計制造者都會這樣地去追求產(chǎn)品質(zhì)量的。

有效數(shù)字位數(shù)是測量中另一個需要關(guān)心的問題。各種不同手機具有不同的傳感器和相應(yīng)的軟件，測量結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的有效數(shù)字位數(shù)也是不同的，所以需要對所有參與測量手機提供的測量結(jié)果進行處理，即在計算所有數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值時應(yīng)根據(jù)有效數(shù)字處理原則，保留的有效數(shù)字位數(shù)為所有參加運算數(shù)據(jù)中的最少位數(shù)。

4 手機實驗測量的意義

為了讓學(xué)生了解現(xiàn)代化的測量儀器設(shè)備，購置和配備精良的實驗教學(xué)裝備是必要的。但是，學(xué)生利用低劣的儀器設(shè)備，通過自主的研究和設(shè)計，培養(yǎng)出他們能夠測量和計算出精準(zhǔn)結(jié)果的知識與能力才是更為重要的，因為這種能力是創(chuàng)新型人才真正所應(yīng)該具備的能力。記得2003年首都師范大學(xué)教育技術(shù)系建立新實驗室，購置了大量高檔儀器設(shè)備，其中僅示波器就都是進口、寬帶、存儲型的。當(dāng)請來北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院的王楚教授和謝柏清教授對實驗室進行項目評估時，兩位教授對此大不以為然。他們說他們現(xiàn)在的實驗室中仍然使用20世紀五六十年代的國產(chǎn)電子管示波器，但是他們的學(xué)生可以根據(jù)測試波形失真的情況（如波形倒角等）計算出示波器的實際帶寬、波形的延遲等一系列參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)對實驗結(jié)果進行精確的數(shù)據(jù)處理。

創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是一個重大問題，其中培養(yǎng)模式與培養(yǎng)方法非常的關(guān)鍵，所以教育裝備在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的地位與作用是十分值得認真研究的。

參考文獻

[1]薛定諤.生命是什么[M].羅來歐,羅遼復(fù),譯.湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2003:15.

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