智能手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用綜述*

饒 迪 程敏熙 李錫均

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱.利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不僅采集數(shù)據(jù)方便、快捷，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確，我國甚至把傳感器列為“十五”計(jì)劃重點(diǎn)科技研究發(fā)展項(xiàng)目之一[1].

無論是德國的萊寶系統(tǒng)、美國的PASCO系統(tǒng)，還是國內(nèi)的DISLab都是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成.一套較好的DIS實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)都要上萬元，較高的價(jià)格成為制約其被廣泛應(yīng)用的主要因素.當(dāng)前，我國只有部分大專院校或中學(xué)配備有DIS實(shí)驗(yàn)器材[2].

值得注意的是，隨著現(xiàn)代生活水平的不斷提高，智能手機(jī)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋仨毱?，而現(xiàn)代智能手機(jī)內(nèi)置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應(yīng)傳感器等十多種傳感器.同時(shí)，各種手機(jī)傳感器App也不斷被開發(fā)，無論是基于蘋果手機(jī)的Phyphox,BaroAlt,Altimeter等，還是基于安卓手機(jī)的physics toolbox，ToneGenerator等，都給物理實(shí)驗(yàn)帶來了許多新的設(shè)計(jì)思路.各種實(shí)驗(yàn)操作不僅簡單易行，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確，提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性.

1 智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)的發(fā)展歷程

1.1 萌芽期(2005-2012年)

文獻(xiàn)[3]2005年報(bào)道最早通過智能手機(jī)來驗(yàn)證一些物理現(xiàn)象：聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的；聲音的傳播需要介質(zhì)；電磁波能在真空中傳播；靜電屏蔽[3].時(shí)隔4年，文獻(xiàn)[4]2009年報(bào)道，在前者的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步地多做了幾種演示實(shí)驗(yàn)：無線電波傳播速度大于聲波傳播速度、共振現(xiàn)象、電流的熱效應(yīng)、慣性現(xiàn)象[4].文獻(xiàn)[5]報(bào)道了利用手機(jī)屏幕探測遙控器發(fā)出的紅外線[5].

此后，文獻(xiàn)[6]的作者將“移動(dòng)學(xué)習(xí)”引入課堂，他開創(chuàng)性地利用光傳感器演示光線明亮程度與屏幕是否黑屏的關(guān)系[6].文獻(xiàn)[7]的作者則更多方面地利用手機(jī)傳感器來輔助教學(xué)，包括：利用方向傳感器判斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)是否水平；利用磁感應(yīng)傳感器探究磁場的方向和強(qiáng)度；通過加速度傳感器探究超重與失重現(xiàn)象；通過聲傳感器研究聲音的頻率；利用GPS傳感器測量物體的運(yùn)動(dòng)速度以及估算地球半徑[7].

國際方面，文獻(xiàn)[8]報(bào)道了利用智能手機(jī)攝像頭拍到的實(shí)驗(yàn)圖像來輔助教學(xué)[8].文獻(xiàn)[9]報(bào)道了通過手機(jī)屏幕發(fā)出的光進(jìn)行偏振光實(shí)驗(yàn)[9].而文獻(xiàn)[10]報(bào)道,將手機(jī)放入真空玻璃罩中，驗(yàn)證真空不能傳聲[10].

文獻(xiàn)[11]和[12]在前面幾位學(xué)者的基礎(chǔ)上，利用智能手機(jī)設(shè)計(jì)了新實(shí)驗(yàn)：讓自由落體狀態(tài)的手機(jī)發(fā)出固定頻率聲波，同時(shí)在下方測定聲波的頻率變化曲線，再結(jié)合相關(guān)理論測出重力加速度g[11].

2012年，文獻(xiàn)[11]和[12]的作者在美國物理教師協(xié)會(huì)(AAPT)旗下的《The Physics Teacher》雜志上創(chuàng)設(shè)了“IPhysicsLab”專欄并擔(dān)任編輯.此專欄面向廣大教師征集將智能設(shè)備運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的想法，并每月推出一篇相關(guān)文章[12].我國的期刊并未開設(shè)相應(yīng)專欄.

在這一階段，智能手機(jī)作為一種新的實(shí)驗(yàn)工具走入了國內(nèi)外物理課堂，相關(guān)研究較少，且大多是定性的小型演示實(shí)驗(yàn).

1.2 發(fā)展期(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn利用智能手機(jī)加速度傳感器分別對(duì)自由落體、單擺和彈簧擺進(jìn)行研究，并發(fā)表了3篇開創(chuàng)性文章[13～15].這3篇文章里的實(shí)驗(yàn)思路先后被國內(nèi)外諸多研究所借鑒，同時(shí)也拉開了智能手機(jī)物理實(shí)驗(yàn)從定性研究向定量研究發(fā)展的序幕.

自2013年起，除《The Physics Teacher》之外，在英國皇家物理學(xué)會(huì)文獻(xiàn)庫(IOP)收錄的《Physics Education》以及《European Journal of Physics》等雜志上也開始陸續(xù)發(fā)表智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)的文章.

近年來，為提高青稞單位面積產(chǎn)量，把科學(xué)施肥、測土配方、機(jī)耕機(jī)播、病蟲草害防治、種子精選、種子包衣和土壤處理作為重點(diǎn)措施進(jìn)行推廣。2016年，林芝市農(nóng)牧技術(shù)推廣中心開展下鄉(xiāng)科技服務(wù)80余人次，開展科技培訓(xùn)1萬多人次。以上科學(xué)技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)于穩(wěn)定糧食生產(chǎn)、保障有效供給、全面建成小康社會(huì)和保持農(nóng)牧民持續(xù)穩(wěn)定增收具有重要作用，為確保林芝市青稞安全、有效供給做出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

截止到2018年4月，本文搜索到的智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究文章100余篇，世界各國的教育工作者紛紛參與到這項(xiàng)研究之中，不難想象，智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)在將來會(huì)有更加長足的發(fā)展.

2 智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)的分類介紹

智能手機(jī)傳感器在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的研究成果已涵蓋了力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)以及拓展實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域.本文根據(jù)所查閱的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)上述4個(gè)分類進(jìn)行整理.

2.1 力學(xué)實(shí)驗(yàn)

重力加速度g是一個(gè)非常重要的物理量.Vogt(2012)讓智能手機(jī)從高度h開始做自由落體運(yùn)動(dòng),如圖1所示[13]，同時(shí)用手機(jī)加速度傳感器記錄手機(jī)下落的時(shí)間t，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)公式

(1)

求出重力加速度g.

圖1 手機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)

如圖2所示,對(duì)于單擺運(yùn)動(dòng)[14]，Vogt(2012)利用手機(jī)加速度傳感器記錄加速度和時(shí)間的關(guān)系圖，再通過峰值間的間隔得出單擺周期T，最后依據(jù)單擺周期公式

(2)

在已知擺長l的情況下求得重力加速度g.

圖2 手機(jī)做單擺運(yùn)動(dòng)

此外，還可以將手機(jī)靜止放置，通過放置信號(hào)源測出重力加速度值.文獻(xiàn)[16]報(bào)道，用小磁鐵代替手機(jī)運(yùn)動(dòng)，利用手機(jī)磁感應(yīng)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[16].文獻(xiàn)[17]指出，用小鐵球當(dāng)擺球，將手機(jī)放置在鐵球的正下方，使擺球能貼著手機(jī)擺過，利用磁感應(yīng)傳感器App測得周期，算出重力加速度g[17].

對(duì)于向心加速度，文獻(xiàn)[18]報(bào)道，將手機(jī)固定在木板上，讓馬達(dá)帶動(dòng)木板轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示，再將運(yùn)動(dòng)半徑r和周期T代入公式

(3)

求出向心加速度的值，與手機(jī)顯示的值相比較，結(jié)果較準(zhǔn)確[18].

圖3 馬達(dá)帶動(dòng)手機(jī)運(yùn)動(dòng)

文獻(xiàn)[19]報(bào)道，在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上某一固定位置放置手機(jī)，通過改變轉(zhuǎn)速來驗(yàn)證向心加速度與角速度之間的關(guān)系[19].文獻(xiàn)[20]指出，在同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的不同位置上放置多個(gè)手機(jī),如圖4所示，此時(shí)所有手機(jī)的角速度相同，可以驗(yàn)證向心加速度與運(yùn)動(dòng)半徑的關(guān)系[20].

圖4 同一圓盤上不同手機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)

文獻(xiàn)[21]報(bào)道，發(fā)現(xiàn)一款A(yù)pp“AccelVisu”可以即時(shí)顯示加速度的方向和大小.將智能手機(jī)掛在鐘擺上運(yùn)動(dòng)，可以顯示加速度的方向指向圓心，如圖5所示；將智能手機(jī)放在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，如圖6所示，可以幫助學(xué)生更直觀地觀測到速度方向與加速度方向之間的關(guān)系[21].

圖5 手機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖6 手機(jī)在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)

牛頓第二定律是國內(nèi)外中學(xué)物理的重要知識(shí)點(diǎn)，文獻(xiàn)[22]報(bào)道，將智能手機(jī)帶進(jìn)娛樂場的“跳樓機(jī)”上,如圖7所示，將App測得的數(shù)據(jù)代入牛頓第二定律，計(jì)算出跳樓機(jī)對(duì)身體的作用力[22].

圖7 “跳樓機(jī)”

文獻(xiàn)[23]報(bào)道，把智能手機(jī)綁在滑塊上，使滑塊從斜面上滑下，如圖8所示.利用手機(jī)的加速度傳感器App記錄下滑時(shí)的加速度a，再根據(jù)關(guān)系式

a=gcosθ(tanθ-μk)

(4)

在已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭及斜面傾角θ的情況下求出滑動(dòng)摩擦系數(shù)μk[23].

圖8 測量斜面摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[24]指出，利用加速度傳感器App上顯示的圖像給學(xué)生演示動(dòng)量定理[24].文獻(xiàn)[25]報(bào)道，將兩個(gè)手機(jī)分別固定在兩個(gè)小車上，每輛小車前段固定一個(gè)環(huán)形彈片,如圖9所示，用小車碰撞前后的速度值驗(yàn)證動(dòng)量守恒[25].

圖9 動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)

2.2 電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

磁現(xiàn)象是物理學(xué)重要的研究對(duì)象，但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室價(jià)位較高，難以在中學(xué)物理課堂廣泛應(yīng)用，手機(jī)磁感應(yīng)傳感器則給一些定性的小實(shí)驗(yàn)帶來許多便捷.除了探究通電環(huán)型線圈周圍的磁場[7]，文獻(xiàn)[26]和[27]的作者先后探究了條形磁鐵、通電直導(dǎo)線、指南針周圍的磁場方向及大小，讓智能手機(jī)更豐富地助力課堂教學(xué)[26，27].

為了測磁感應(yīng)傳感器的位置，文獻(xiàn)[28]的作者將小磁鐵緊貼手機(jī)屏幕(以iPhone5為例)移動(dòng)，找到磁感應(yīng)強(qiáng)度最大的位置，那么這個(gè)位置就是磁感應(yīng)傳感器所在方位,如圖10所示.他將一塊小磁鐵放在畫直角坐標(biāo)系的白紙上，如圖11所示，利用手機(jī)磁感應(yīng)傳感器測定了距離x與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比的關(guān)系，并繪制出B-x空間分布曲線[28].

圖10 磁感應(yīng)傳感器的位置

圖11 測空間磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.3 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)

在“聲音特性”的一些演示實(shí)驗(yàn)中，需要用到示波器來觀察波形圖，但并非所有中學(xué)都配備示波器，針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[29]和[30]的作者利用智能手機(jī)聲傳感器演示教材中的實(shí)驗(yàn)，還對(duì)生活中的一些聲現(xiàn)象(酒瓶、音叉、樂器的發(fā)聲)進(jìn)行分析[29,30].

利用智能手機(jī)聲傳感器來做聲學(xué)實(shí)驗(yàn)還可以克服主觀性太強(qiáng)的問題.例如多普勒效應(yīng)，文獻(xiàn)[31]中提出可以利用聲傳感器來探究多普勒現(xiàn)象[31]，而文獻(xiàn)[32]的作者則將其運(yùn)用到教學(xué)中，他根據(jù)觀察者或者波源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更細(xì)致的定量測量，且實(shí)驗(yàn)效果明顯[32].

2.4 拓展實(shí)驗(yàn)

硬件方面，文獻(xiàn)[33]的作者較早提出利用安卓手機(jī)傳感器和外擴(kuò)傳感器，共同構(gòu)建物理工具箱，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)類型，使學(xué)生操作更具有真實(shí)感[33].文獻(xiàn)[34]報(bào)道將手機(jī)與力傳感器相連，再利用傳感器App“SPARKvue”研究小球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)繩子的張力[34].文獻(xiàn)[35]報(bào)道將智能手機(jī)外接溫度傳感器測定溫度,如圖12所示，填補(bǔ)了手機(jī)傳感器在中學(xué)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用這一空白[35].

針對(duì)課后實(shí)驗(yàn)，一些學(xué)者也提出了自己的看法.人教版物理教材八年級(jí)上冊(cè)有關(guān)于“怎樣才能更加準(zhǔn)確地測量硬幣的直徑”的交流活動(dòng)，文獻(xiàn)[36]的作者利用手機(jī)App“ON直徑測量”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也較精確[36].又如，物理教材八年級(jí)上冊(cè)介紹了水瓶琴實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)[37]中用手機(jī)軟件進(jìn)行證實(shí)，發(fā)現(xiàn)教材中給出的參考方案不夠科學(xué)，無法實(shí)現(xiàn)[37].

圖12 手機(jī)外接溫度傳感器

3 智能手機(jī)傳感器實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)及意義

智能手機(jī)除了給中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)帶來許多新的思路，也在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用[38]，可見，智能手機(jī)作為一種新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn).

3.1 售價(jià)適中 普及率高

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，售價(jià)千元左右的智能手機(jī)就內(nèi)置了壓力傳感器、GPS傳感器、聲傳感器、磁感應(yīng)傳感器、陀螺儀、溫度傳感器等10余種傳感器，相比一套價(jià)格在萬元左右的DIS數(shù)字傳感系統(tǒng)，相對(duì)低廉的價(jià)格使得智能手機(jī)更容易被普及.

3.2 測量數(shù)據(jù)方便、準(zhǔn)確

使用DIS系統(tǒng)會(huì)很容易受到數(shù)據(jù)線長度的限制，相反，智能手機(jī)既可以利用App實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、采集一體化，也可以不受任何限制地被安置在任何地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還可以根據(jù)實(shí)際需要直接在手機(jī)上做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理[38]．

4 智能手機(jī)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用展望

近年來，翻轉(zhuǎn)課堂、微課、STEM 等現(xiàn)代教育模式逐漸興起，給智能手機(jī)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了不小的空間，它既可以被用于中學(xué)的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可以進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)、課外實(shí)踐等活動(dòng)，比如利用智能手機(jī)進(jìn)行課堂管理、即時(shí)進(jìn)行教學(xué)演示等.

本文僅僅討論了到目前為止智能手機(jī)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，而智能手機(jī)有10余種傳感器，每一種傳感器都可以開發(fā)出許多對(duì)應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn).可見，利用智能手機(jī)做物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用前景是非常廣闊的.