phyphox軟件介紹及其在物理教學中的應用

何 璐 祖米熱姆·伊馬木

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

方 偉

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234;上海市星系和宇宙學半解析研究重點實驗室 上海 200234)

phyphox基于智能手機所含有的傳感器創(chuàng)建了輔助物理實驗的工具箱，它突破了傳統(tǒng)傳感器操作位置的局限，拓展了物理課外實驗的范圍，且有成本低、方便實用的優(yōu)點.phyphox軟件已逐漸融入物理教學，為物理教學提供了新穎的測量工具.

phyphox是由德國亞琛工業(yè)大學在2016年發(fā)行的一款手機應用軟件，安卓設備和IOS設備均可下載，phyphox全稱“physical phone experiments”，包含：加速度傳感器、磁力傳感器、陀螺儀(旋轉(zhuǎn)傳感器)、光傳感器、壓力傳感器、聲音傳感器,最新設備還有溫度、濕度傳感器.目前可實現(xiàn)29種內(nèi)置功能，如加速度、角速度、光照強度、磁場強度、壓力和聲音的振幅、頻率、周期等基本物理量的測量[1].除phyphox外，還有其他類似的物理實驗工具箱，例如Physics Toolbox Suite Pro,AndroSensor,Sparkvue等[2～4]，這些應用均提供了免費的數(shù)據(jù)分析工具.本文擬就phyphox的功能、前景及其在物理教學中的應用進行介紹.

1 phyphox功能

phyphox不僅包含單獨傳感器還有基于傳感器而開發(fā)的實用工具，如秒表(聲學秒表，運動秒表、光學秒表)、角度測量儀、音頻發(fā)生器等.phyphox軟件還對傳感器進行了模塊整理，如轉(zhuǎn)動、滾動、單擺、彈性碰撞、彈簧振動等多種基本運動，另外phyphox軟件還設置了生活小實驗，方便學生從生活中發(fā)現(xiàn)物理的奧秘.例如，電梯實驗[5].phyphox不僅能通過圖形或數(shù)字的方式呈現(xiàn)原始數(shù)據(jù)，還可以配合自制教具定性測量有關(guān)物理量，應用程序還提供遠程訪問功能，這允許計算機遠程控制phyphox軟件，無需操作用于做實驗的智能手機.

phyphox應用程序的另一大優(yōu)勢是可創(chuàng)建自己的“ 實驗室”.自行編寫整個實驗，這為教師創(chuàng)建全新更復雜的實驗提供了契機.教師可對不同知識水平的學生制定不同的學習目標；同時這也是更改實驗參數(shù)的好方法，例如臨界值和最小延遲.該應用程序的wiki網(wǎng)頁能幫助新手用戶快速了解phyphox軟件的具體內(nèi)容，官方網(wǎng)站為https://phyphox.org/[6].

2 phyphox內(nèi)容簡介

2.1 加速度傳感器

加速度傳感器是通過手機的坐標系分別在x,y,z軸的位移變化來測量物體運動的加速度.phyphox中的加速度傳感器還能獲得傳統(tǒng)方法不能獲得的諸如x,y,z方向運動情況的信息，手機在振動過程中有可能出現(xiàn)不同方向的微小振動，因此加速度傳感器清晰記錄所有方向的數(shù)據(jù)有助于學生研究主要方向上的加速度.

例如教師和學生利用加速度傳感器探究關(guān)于彈簧振子的實驗[7]：取一根彈簧，其上端用一細線固定于支架上，下端與智能手機連接，因此形成一個豎直方向上的彈簧振子.打開手機phyphox中的Acceleration(without g), 這里需注意，它在靜止時顯示加速度為零.加速度傳感器還可測量重力加速度，在phyphox中，Spring(彈簧)利用彈簧測量重力加速度[8]，也可探究彈簧阻尼問題，Spring相比單獨加速度傳感器還可測量出彈簧振子的頻率.

2.2 壓強傳感器

智能手機壓強傳感器可測量電梯速度和高度，學生也可以探究電梯中失重和超重的壓力與合加速度物理規(guī)律,同時也能測量飛行無人機的垂直速度[5].學生根據(jù)智能手機感應的氣壓值推導出高度從而得到加速度和速度值.除了壓強之外，加速度計記錄加速度值進行數(shù)值積分，也可獲得垂直速度和高度.但通過實驗發(fā)現(xiàn)，用加速度傳感器獲得加速度與實際參考值還是有非常大的差異.首先因為數(shù)值積分累積誤差，其次是重力加速度導致高度計算明顯存在不確定性.通過數(shù)據(jù)對比，壓強傳感器比加速度傳感器更加精確，同時壓強傳感器也優(yōu)于GPS，因為這種傳感器在室內(nèi)不接收衛(wèi)星信號.壓強傳感器不僅在力學、流體力學有所應用，一定條件下，還可以作為氣壓計測量熱力學中的物理量.

2.3 旋轉(zhuǎn)傳感器

智能手機phyphox軟件中的Gyroscope(陀螺儀)，Centripetal acceleration(向心加速度)，Roll(滾動)都具有旋轉(zhuǎn)傳感器.在傳統(tǒng)的教學中，實驗上總是很難測量角速度、向心加速度，但phyphox可以測量x,y,z軸的角速度和絕對角速度.Centripetal acceleration(向心加速度)可直接測量出角速度和角加速度之間的數(shù)量關(guān)系：a=ω2r.學生利用小區(qū)公園的轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)椅或游樂園的娛樂設施等環(huán)境可驗證向心力[9]，雖然存在各種系統(tǒng)誤差，但phyphox在學生課外實踐中的定性使用無疑加深了學生對抽象概念的理解.

2.4 聲音傳感器

phyphox程序中聲音傳感器可以測量音頻的振幅、單音的頻率、音頻信號的頻譜、聲納和多普勒效應，還有單獨的音頻發(fā)生器.聲學秒表可測量彈性碰撞的損失、自由落體的時間和高度等.初中生可利用兩部智能手機測量聲速，兩部手機的作用是音頻發(fā)射器和接收器[10].“多普勒效應”的測量是由于多普勒效應引起的信號發(fā)生器到手機感應器頻率的變化和相對速度[11].

2.5 磁場傳感器

智能手機有磁場傳感器，應用程序phyphox中有3個測量與磁場相關(guān)物理量的程序，分別是Magnetometer(磁力計)、Magnetic Spectrum(磁場頻譜)、Magnetic ruler(磁性尺).磁力計非常靈敏，手機開發(fā)者正是利用磁力計做指南針.但磁力計很容易受手機磁化的影響，因此phyphox軟件會不斷重新校準磁場傳感器來消除影響.磁性頻譜顯示磁力計數(shù)據(jù)中頻譜和頻率的峰值，如果提供波譜的樣本數(shù)量較高，分辨率就高，頻率會更精準.頻率最大值實際是由傳感器的采集速率決定，因此頻譜很大程度上取決于智能手機本身.

磁性尺不是單獨的實驗，而是一種工具，主要測量位移和速度.首先需要設置一條路徑，在固定的間隔放置幾個磁鐵，并測量出磁鐵之間的距離，在做實驗之前輸入到程序中，phyphox通過磁力計測量出智能手機通過磁鐵的頻率，通過計算可得到間隔的位移和平均速度.學生可以利用這個工具設計實驗，例如測量玩具火車速度[12].

2.6 光傳感器

phyphox應用軟件中的光傳感器是從手機的環(huán)境光獲取原始數(shù)據(jù)，但是在一些設備中，光傳感器并不是非常靈敏，教師和學生可用光傳感器驗證朗伯比爾定律——分光光度法的基本定律[13]，是描述物質(zhì)對某一波長光吸收的強弱與吸光物質(zhì)的濃度和其液層厚度間的關(guān)系.但是phyphox只能測量光照強度，需要學生導出光照強度數(shù)據(jù)到Excel中，然后輸入液體濃度數(shù)值得出關(guān)系圖.學生還可以測量不同物體光透射率，被透射的物體可以是透明體和半透明體，通常用透過后的光通量與入射光通量的比表示為光透射率.

phyphox應用包含的傳感器原理及實驗如表1所示.

表1 phyphox應用原理及實驗

3 phyphox應用舉例及其前景展望

此節(jié)我們給出一個phyphox軟件的直接應用和具體教學案例，在此基礎之上，對phyphox軟件在物理教學中的前景進行展望.

3.1 教學案例：用手機測量重力加速度實驗

(1)實驗器材：一根不可伸長的輕繩、支撐手機的紙盒、一部智能手機、另一臺遠程操控的電腦或手機.

圖1 phyphox單擺實驗操作

(2)實驗操作：為了讓手機在擺動過程中自身不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，用紙盒固定手機并在四角系上繩子，如圖1所示，用卷尺測量支點到手機質(zhì)心的距離，將此值作為擺長輸入到手機中，手機懸掛時phyphox也能間接測量擺長，作為參考.打開phyphox中Pendulum(單擺)，點擊允許遠程訪問，下方出現(xiàn)訪問網(wǎng)址，在另一部手機或電腦輸入網(wǎng)址，在Timed Run設置初始延遲3 s，持續(xù)時間10 s.點擊開始，讓手機小幅度的擺動，注意不要讓手機掉落或者碰撞到其他的物體上.最后保存實驗數(shù)據(jù).

(3)分析：phyphox會在實驗期間記錄手機的角速度.圖像近似正弦函數(shù)，在擺動運動的最低點處有極大值(最大絕對角速度)，第一極大值到第二極大值計算作為一個周期，其倒數(shù)作為振動頻率.控制擺動較小的角度，由周期方程計算得到重力加速度.

phyphox單擺實驗數(shù)據(jù)截圖如圖2所示.

圖2 phyphox單擺實驗數(shù)據(jù)

3.2 phyphox在物理教學中的前景展望

(1)使得教學空間更加廣闊

智能手機用在學生學習上的時間少之又少，但物理工具箱的應用可以讓智能手機成為學生學習的伙伴.學生可在家中娛樂時設計并進行物理實驗，這不僅能激發(fā)學生的創(chuàng)新細胞，增加學生的物理學習動機，也能提升學生在物理學習中的自我效能感.因為實驗環(huán)境不局限于學校的DIS實驗，教師的實驗教學方式也可以發(fā)揮更多的創(chuàng)新空間，教師可以讓學生在課余時間設計并完成許多小實驗，加深學生對物理現(xiàn)象的理解，也能讓學生對數(shù)據(jù)更加敏感，這能提升學生獲取信息的能力，教師可以在實驗課堂中增加討論分析實驗的時間，給物理實驗教學提供催化劑.

(2)使得實驗數(shù)據(jù)處理更加便捷

在用phyphox做實驗時，實驗結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的形式實時顯示，清晰明了，可根據(jù)需要遠程傳輸在電腦上顯示或保存實驗頁面，有利于不同實驗進行對比分析，簡單的數(shù)據(jù)處理過程減少了數(shù)學對學生的干擾，可讓學生關(guān)注物理本身.學生可以大膽地進行猜想實驗，分析實驗，能促進學生對物理的理解.

(3)使得教學創(chuàng)新更加凸顯

智能手機phyphox App給學生和教師提供了更大的物理實驗平臺，還可以由用戶創(chuàng)建新的實驗平臺.學生和教師可用一個或多個傳感器設計實驗，從研究問題的多角度進行分析、設計實驗，這能充分挖掘?qū)W生和教師的創(chuàng)新潛能.比如聲音傳感器不僅可以測量有關(guān)聲音的變量，還可以轉(zhuǎn)換的方法間接測量運動物理量，phyphox中Acoustic Stopwatch(聲音秒表)利用落球與地面發(fā)生的幾次碰撞的聲音測出球每次的時間差和損失率，再由此計算出球的高度，可分析彈性碰撞的勢能變化、機械能的損耗值等.這樣的數(shù)據(jù)信息可以提升學生的學習自主性和探究能力.

4 總結(jié)

本文對phyphox進行了詳細的介紹，并對其在物理教學中的應用進行了分析.在學科核心素養(yǎng)的導向下，“以學為中心”的物理探究實驗有助于學生學習科學知識，形成正確的物理觀念，習得科學方法，培養(yǎng)科學思維并感受崇高的科學精神.翻轉(zhuǎn)課堂、STEM教育、微課、慕課等現(xiàn)代教育模式體現(xiàn)了以學為中心的理念，也為物理探究實驗的新模式提供了空間，phyphox等實驗工具箱App的開發(fā)更為課外探究實驗、研究型學習提供了有效手段，它的應用前景十分廣泛.除此之外，phyphox新版本不僅引入了新功能并對其中程序進行修復(如增添了交互式圖形、條形圖、用于光譜實驗的彩色圖等)，并且還增加了中文的翻譯版本，具體見https://phyphox.org/news/phyphox-chinese/.另外，教師也需了解phyphox此類軟件的弊端和不足.首先是在實驗開始前，需用phyphox測量周圍環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響，手機本身的性能也對實驗數(shù)據(jù)造成誤差，因此phyphox只能做半定量或比較粗糙的定量測量；其次phyphox此類軟件只為教學做輔助作用，教師需依據(jù)教學內(nèi)容特點進行合理利用.