用智能手機中的光傳感器做單擺實驗

紀煦 程敏熙 時雯 丁江鈴

摘 要：將智能手機中的光傳感器應用于單擺實驗中，用Sensor Kinetics軟件記錄光源做單擺運動時光強隨時間變化的圖像，測得單擺振動的周期，可計算出當?shù)氐闹亓铀俣取５贸龅闹亓铀俣葴y量值與當?shù)氐闹亓铀俣葏⒖贾迪鄬φ`差極小，說明該實驗方法確實可行，是一種趣味性實驗的新方法。

關(guān)鍵詞：單擺實驗；智能手機；光傳感器；Sensor Kinetics

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0054-2

隨著智能手機的廣泛普及，利用其內(nèi)置各種傳感器可以完成許多有意思的物理實驗，甚至設(shè)計新的物理實驗[1-3]。這不僅降低了許多實驗的儀器成本，還增加了實驗的趣味性和可操作性，有利于學生實踐能力的培養(yǎng)[4]。以下是用智能手機中的光傳感器做單擺測量重力加速度實驗的例子。

1 實驗原理及方法

單擺振幅很小時（小于5°），單擺周期T與擺長L（從懸點到小球質(zhì)點的距離）和重力加速度g三者有如下關(guān)系：

本文通過測量L，并利用智能手機Sensor Kinetics軟件中的光傳感器記錄發(fā)光擺球做單擺振動時光強隨時間變化的圖像，得到單擺的振動周期T，從而計算出當?shù)氐闹亓铀俣萭及相應的誤差，且與查表得到的g的真實值進行比較，以驗證此實驗方案的可行性。

2 實驗裝置及步驟

2.1 實驗裝置

實驗器材主要包括LED燈、紐扣電池、單擺裝置、帶有角度標注的紙板、裝有Sensor Kinetics軟件的智能手機、米尺、游標卡尺、熱熔膠等。

實驗裝置見圖1。將紐扣電池和LED等安裝在擺球底端的中心，制成發(fā)光擺球。將帶有角度標注的紙板固定在緊貼單擺裝置的平面上（以保證單擺振動時的擺角小于5°，振動保持在同一平面），將裝有Sensor Kinetics軟件的安卓手機固定在桌面上，使手機上的光傳感器位于發(fā)光擺球的正下方。

2.2 實驗步驟

（1）利用米尺和游標卡尺，測量擺長。

（2）組裝實驗裝置如圖1所示。

（3）使發(fā)光擺球做擺角小于5°的振動，并按下手機上Sensor Kinetics軟件中光傳感器的開始鍵，測得擺球最低點光強隨時間的變化圖像。

（4）選取部分圖像，取其中的10個峰值對應的時間T，并記錄在表格中。

（5）處理實驗數(shù)據(jù)，計算出g的測量值，進行誤差分析。

（6）查表得到g的真實值，與g的測量值進行比較，得出結(jié)論。

3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)多次重復測量，擺長的測量值為：

L=46.57 cm（2）

利用光傳感器得到的擺球最低點光強隨時間的變化圖像如圖2。放大智能手機屏幕，可得到每個峰值所對應的時間，記錄其中10個峰值對應的時間t，得到表1。利用逐差法，計算得到周期T：

查表得到，廣州市當?shù)刂亓铀俣鹊恼鎸嵵禐間=978.3 cm/s2。經(jīng)計算，本次實驗測量值的偏差僅為0.031%。由此可見，用智能手機的光傳感器來做單擺實驗是完全可行的。

4 總 結(jié)

利用單擺測量重力加速度的實驗關(guān)鍵在于對單擺振動周期的準確測量。本實驗結(jié)果表明利用智能手機可以測量單擺的振動周期，測量結(jié)果準確，同時又兼具趣味性與創(chuàng)新性。這為物理實驗研究提供了新的思路和方法，值得推廣。

參考文獻：

[1]林春丹，葛運通，成君寶，等.巧用智能手機做偏振光實驗和超重失重實驗[J].物理實驗，2017，37（9）：16-19.

[2]張洪明，劉坤.利用智能手機做物理實驗[J].物理教學，2016，38（3）：30-32.

[3]李錫均，程敏熙，江敏麗.數(shù)字傳感器新載體——智能手機在物理實驗中的應用綜述[J].大學物理，2018，37（2）：53-59，63.

[4]陳顯盈，徐東琴.豐富多彩的“單擺實驗”——單擺裝置在高中物理實驗中的開發(fā)與應用[J].物理教學，2015，37（10）：28-32.

[5]羅慧，楊小芳.利用多媒體技術(shù)判斷單擺做簡諧運動[J].物理教學探討，2018，36（1）：54-55.

[6]劉婷，彭朝陽.應用視頻分析軟件測單擺周期和重力加速度[J].物理教學探討，2016，34（4）：56-57.

（欄目編輯 王柏廬）