淺析物理教學(xué)中一物多用之手機(jī)篇

江蘇省高郵市第一中學(xué)(225600) 于 淼

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平不斷提高、“互聯(lián)網(wǎng)+”的到來(lái)，越來(lái)越多的教師將高科技運(yùn)用于教學(xué)中來(lái)，借助于多媒體、電子白板等現(xiàn)代化設(shè)備使教師的教學(xué)更加高效、便捷和有趣。與人們生活緊密聯(lián)系的智能手機(jī)，也越來(lái)越得到教師的關(guān)注，利用智能手機(jī)結(jié)合相關(guān)軟件可以研究一些有趣的物理實(shí)驗(yàn)，并能很好地為教學(xué)服務(wù)。本文利用軟件Physics Toolbox Suite(物理工具箱套件)，并結(jié)合教學(xué)實(shí)際，研究了7個(gè)有趣的高中物理實(shí)驗(yàn)，僅供參考。

2 軟件Physics Toolbox Suite

Physics Toolbox Suite(物理工具箱套件)具有很多功能，可以測(cè)量力(G-Force Meter)、加速度(Linear Accelerometer)、磁感應(yīng)強(qiáng)度(Magnetometer)、溫度(Thermometer)等16個(gè)物理量，該軟件非常強(qiáng)大，可以做很多有趣的物理實(shí)驗(yàn)。

例如測(cè)量力時(shí)，該軟件可測(cè)得手機(jī)沿著x、y、z軸3個(gè)方向上力的實(shí)時(shí)變化(3個(gè)軸的方向是確定的，與手機(jī)如何擺放無(wú)關(guān))，并可以用圖像表現(xiàn)出來(lái)。

3 利用該軟件研究的實(shí)驗(yàn)

3.1 研究單擺

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、2根約2 m長(zhǎng)的細(xì)繩、手機(jī)袋。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 研究單擺的實(shí)驗(yàn)裝備

圖2 單擺振動(dòng)圖像

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

單擺長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)其振幅是越來(lái)越小的(空氣阻力作用)，在短時(shí)間內(nèi)單擺的振幅幾乎不變，可以近似認(rèn)為是等幅振動(dòng)，相鄰峰值之間的時(shí)間間隔相同，且單擺做阻尼振動(dòng)的周期不變。

3.2 研究彈簧振子

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、彈簧、支架。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖3所示，將手機(jī)固定在彈簧下再掛在支架上，打開(kāi)軟件選擇G-Force Meter(選擇顯示x軸，x軸的正方向豎直向上，當(dāng)手機(jī)處于平衡位置時(shí)讀數(shù)是1，屏幕顯示是橫屏)，將手機(jī)向下拉一小段距離，松手后手機(jī)就會(huì)像彈簧振子上下振動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后(約100 s)，可以得到圖4所示的圖像。為了形成對(duì)比，這里一共做了3組實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量10個(gè)周期的時(shí)間來(lái)計(jì)算1個(gè)周期)，選擇材質(zhì)相同但長(zhǎng)度不同的彈簧a和b(勁度系數(shù)不同)以及材質(zhì)不同的彈簧c進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖3 研究彈簧振子的實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 彈簧振子振動(dòng)圖像

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

彈簧振子長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)其振幅越來(lái)越小(受到空氣阻力)，在短時(shí)間內(nèi)彈簧振子的振幅幾乎不變，可以近似認(rèn)為是等幅振動(dòng)，相鄰峰值之間的時(shí)間間隔相同，且彈簧振子做阻尼振動(dòng)的周期不變。

3.3 研究人下蹲和站立過(guò)程的超重和失重

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

打開(kāi)軟件選擇Linear Accelerometer(選擇顯示z軸，z軸正方向?yàn)樨Q直向上，屏幕顯示是橫屏)，實(shí)驗(yàn)者平舉著手機(jī)下蹲及站立就可得到圖像(手機(jī)和人一起沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，要保證手機(jī)和人同時(shí)運(yùn)動(dòng)且同時(shí)靜止)。如圖5所示，第一個(gè)和第三個(gè)波形是下蹲過(guò)程得到的圖像，第二個(gè)和第四個(gè)波形是站立過(guò)程得到的圖像。

圖5 人下蹲和站立過(guò)程中的超重和失重運(yùn)動(dòng)圖像

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從第一個(gè)和第三個(gè)下蹲過(guò)程得到的波形圖可以看出前一部分示數(shù)小于0，即加速度是向下的，此時(shí)支持力小于重力處于失重狀態(tài)；后一部分示數(shù)大于0，即加速度是向上的，此時(shí)支持力大于重力處于超重狀態(tài)。從第二個(gè)和第四個(gè)站立過(guò)程得到的波形圖可以看出前一部分示數(shù)大于0，即加速度是向上的，此時(shí)支持力大于重力處于超重狀態(tài)；后一部分示數(shù)小于0，即加速度是向下的，此時(shí)支持力小于重力處于失重狀態(tài)。

3.4 研究電梯的超重和失重

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、電梯。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將手機(jī)平放在電梯地板上，打開(kāi)軟件選擇G-Force Meter(選擇顯示z軸，屏幕顯示是橫屏)，讓電梯從7樓降到1樓，接著從1樓升到7樓，可得到圖6所示圖像。

圖6 電梯上升及下降過(guò)程中的超重和失重運(yùn)動(dòng)圖像

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

電梯從7樓降到1樓，從圖6中前兩個(gè)圖形可以看出，電梯先向下加速(視重小于實(shí)重，處于失重狀態(tài))、接著勻速、最后減速(視重大于實(shí)重，處于超重狀態(tài))。從1樓升到7樓，從圖6中后兩個(gè)圖形可以看出，電梯先向上加速(視重大于實(shí)重，處于超重狀態(tài))、接著勻速、最后減速(視重小于實(shí)重，處于失重狀態(tài))。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3

3.5 研究螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、干電池2節(jié)、電流表、滑動(dòng)變阻器、涂油絕緣層的銅導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖7所示，將銅導(dǎo)線繞制成3組30匝的線圈(線圈直徑稍大于手機(jī)寬度，保證手機(jī)能穿過(guò)線圈)，用導(dǎo)線將銅導(dǎo)線、電池、電流表、滑動(dòng)變阻器和開(kāi)關(guān)聯(lián)成一個(gè)閉合回路。打開(kāi)軟件選擇Magnetometer(選擇顯示y軸，屏幕顯示是橫屏)，將手機(jī)水平放置，調(diào)節(jié)手機(jī)擺向使此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的讀數(shù)為0。

圖7 研究通電螺線管磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置

研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)的關(guān)系：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器分別得到一個(gè)較小的電流和一個(gè)較大的電流，先將3組線圈套在手機(jī)上，然后依次減少匝數(shù)，測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖8所示(a是大電流，b是小電流)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，并將表4中的數(shù)據(jù)繪制成圖9所示圖像(近似成線性關(guān)系)。研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度的關(guān)系：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器得到30匝線圈通過(guò)不同電流時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖10所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，并將表5中的數(shù)據(jù)繪制成圖11所示圖像(近似成線性關(guān)系)。

(a)較大電流情況下

(b)較小電流情況下圖8 研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)的關(guān)系圖像

表4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)4

圖9 B-N圖像

表5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)5

圖10 研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度的關(guān)系的圖像

圖11 B-I圖像

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)可以近似看成勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在保持其他條件不變的情況下，實(shí)驗(yàn)分別研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈匝數(shù)、電流的關(guān)系。研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與匝數(shù)的關(guān)系可以得到：磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈的匝數(shù)近似成正比關(guān)系，即其他條件不變的情況下，B與N成正比。研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系可以得到：磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流近似成正比關(guān)系，即其他條件不變的情況下，B與I成正比。

3.6 研究條形磁鐵的磁場(chǎng)

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、條形磁鐵。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖12所示，打開(kāi)軟件選擇Magnetometer(選擇顯示y軸，屏幕顯示是橫屏，將手機(jī)放置到水平桌面上，改變手機(jī)的擺向使讀數(shù)為0)，將磁鐵從手機(jī)的上方慢慢的移到手機(jī)下方，再將磁鐵由手機(jī)下方移動(dòng)到手機(jī)上方。為了對(duì)比做了2次實(shí)驗(yàn)，得到圖13所示圖像。

圖12 研究條形磁鐵磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖13 條形磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度圖像

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

可以發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度讀數(shù)先變小再變大，再變小后又變大。說(shuō)明條形磁鐵兩極的磁場(chǎng)最強(qiáng)，中間的磁場(chǎng)最弱。

3.7 研究通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)

(1)實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)、2節(jié)干電池、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線和多匝直導(dǎo)線。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖14所示，將2節(jié)干電池、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線和直導(dǎo)線連成一個(gè)閉合回路，打開(kāi)軟件選擇Magnetometer(選擇顯示y軸，屏幕顯示是橫屏，將手機(jī)放置到水平木塊上并靠近直導(dǎo)線，改變手機(jī)的擺向，使讀數(shù)為0)。適當(dāng)選擇滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值，閉合開(kāi)關(guān)可以看到磁感應(yīng)強(qiáng)度的讀數(shù)發(fā)生變化，改變電流大小讀數(shù)會(huì)發(fā)生改變；電流越大讀數(shù)變化越大，可得到圖15所示圖像，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，將表6中的數(shù)據(jù)繪制成圖16所示圖像(近似成線性關(guān)系)。

圖14 研究通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)裝置

表6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖15 通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)強(qiáng)度的圖像

圖16 通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)強(qiáng)度的圖像

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通電直導(dǎo)線產(chǎn)生了磁場(chǎng)，直導(dǎo)線中的通電電流越大，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度與通電電流成正比。

4 小結(jié)

本文利用了智能手機(jī)結(jié)合相關(guān)軟件研究了高中幾個(gè)有趣的物理實(shí)驗(yàn)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果，使學(xué)生對(duì)相關(guān)的物理現(xiàn)象有了更好地認(rèn)識(shí)和理解，所以教師在平時(shí)的教學(xué)過(guò)程中，在上好課的同時(shí)還可以利用智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備做出更多有趣的物理實(shí)驗(yàn)，更好地為自己的教學(xué)服務(wù)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，提高課堂效率。

收稿日期：2018-12-27