基于智能手機光傳感器驗證點光源光照強度與距離的平方反比關(guān)系

洪靜爽 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

智能手機內(nèi)部攜帶有各種傳感器使其成為一個集數(shù)據(jù)測量、采集于一體的工具包.測量快速、準確，且智能手機造價相對低廉，普及率高，輕便小巧，便于開展戶外研究[1].利用智能手機輔助完成物理實驗可以有效開拓學生視野，激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力.同時，也為教師提供新的可能實驗教學工具和方案，拓展教師教學思路.

2 Phyphox軟件及其使用方法介紹

Phyphox是德國亞琛工業(yè)大學設(shè)計開發(fā)的一款用途較廣的物理實驗傳感器軟件[2].調(diào)用內(nèi)置傳感器進行測量，監(jiān)測手機的具體運動情況和周圍環(huán)境變化獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù).可實現(xiàn)對光照強度等基本物理量進行測量，能夠?qū)y量結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖像的形式呈現(xiàn)出來，供使用者進行后期分析和處理.

本實驗主要運用智能手機安裝的“phyphox”軟件的“Light”功能.首先為了確定手機光傳感器所在位置，將手機水平置于桌面上，打開phyphox應(yīng)用程序，點擊界面上的“Light”功能圖標；待曲線示數(shù)穩(wěn)定后，通過遮擋手機的不同部位觀察光強變化；若遮擋某位置示數(shù)變化明顯，即可確定為手機的光傳感器最靈敏位置(見圖1中方框圈圍的位置).本實驗通過“phyphox”軟件的“Light”功能實時記錄光照強度隨時間的變化完成實驗測量.

圖1 確定光傳感器位置

3 基于智能手機光傳感器驗證點光源光照強度與距離的平方反比關(guān)系實驗

3.1 實驗原理

光照強度(E)是用以表征物體受照面被照明程度的物理量,一般可用單位受照面積上接收到的光通量(Φ)數(shù)值來表示[3]；發(fā)光強度(I)是用來表征光量的空間分布的物理量，可用點光源在單位立體角中發(fā)出的光通量來度量. 如圖2所示，R表示點光源所在位置O至照射面上面元dS中心的距離,dΩ為面元dS對點光源O所張的立體角，α為面元dS的法線和立體角dΩ軸線夾角.考慮最簡單的情況即當點光源在面元法線上時,α為零，則在物體某一面元dS上的照度可以表示為

(1)

可見，點光源的照度反比于光源到受照面距離的平方.

圖2 點光源照度示意圖

國內(nèi)有對該實驗進行詳細說明并展開實驗設(shè)計的相關(guān)研究[4]，該文中所涉及的實驗裝置、操作、數(shù)據(jù)處理相對而言較繁瑣，且為間接測定.文獻[5]運用智能設(shè)備在光具座上進行實驗，測量得到了燈泡光照強度隨距離變化的關(guān)系曲線，證明在距離r>20 cm的條件下，點光源光照度符合距離平方反比定律[1，5].本實驗將進一步簡化實驗裝置，直接采用智能手機的“手電筒”作為光源，手機LED燈體積更小，且無需導線和電源，不受特定實驗場所限制，可實現(xiàn)實驗時間和空間的自由化和靈活化.因此，學生不僅可以在實驗室進行,也可以在實驗室之外的其他場所進行.

3.2 實驗步驟

(1)將作為光源的手機1的“手電筒”打開，用橡皮筋將其固定在光具座一端，即手電筒光源位置位于光具座“0”刻度處；將作為傳感器使用的手機2用橡皮筋固定在小擋板上，且能隨擋板在光具座導軌上滑動，示意圖如圖3所示.

圖3 智能手機測點光源光照度隨距離變化的裝置示意圖

(3)調(diào)節(jié)使手機2的光傳感器和手機1手電筒中心最大可能對準.

(4)從刻度7 cm位置開始實驗，7～22 cm范圍之間每間隔1 cm進行一次測量，25～85 cm之間每間隔5 cm進行一次持續(xù)測量.

(5)每次測量使計數(shù)盡可能多些，以確保實驗結(jié)果的準確性,從第一次測量開始，每次測量完點擊應(yīng)用中的“┃┃”暫停測量.

(6)全部測量結(jié)束后，點擊應(yīng)用右上角的“?”，選擇“Export Data”→“Excel”→“E-mail/QQ/微信/電腦”，數(shù)據(jù)以Excel表格的形式傳送到其他通訊工具中，待進一步處理.

圖4 智能手機采集界面

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

對數(shù)據(jù)進行進一步的加工處理，可得到光照強度隨距離變化的數(shù)據(jù)表格如表1所示，將數(shù)據(jù)導入origin(matlab或Excel)軟件進行線性擬合,結(jié)果如圖5所示.

表1 光照強度隨距離變化的數(shù)據(jù)表格

圖5 點光源光照強度與距離平方倒數(shù)關(guān)系

本實驗相對已有研究實驗設(shè)計[4]中的原理更加簡明，器材更加簡單易得，且方便操作和調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)處理也更加簡單方便.智能手機的光傳感器靈敏度高，測量結(jié)果可通過Excel表格直接獲取，無需人工計數(shù)和計算，且更精確.

4 結(jié)束語

通過智能手機輔助的創(chuàng)新性實驗可以使學生在驗證點光源距離平方反比定律過程中，加深對有關(guān)光學的基本物理量或概念的理解，包括光通量、發(fā)光強度、照度等光度學參量.

該實驗不受特定實驗場所限制，使學生的實驗時間和空間更加靈活可控.智能手機可作為培養(yǎng)學生科學探究興趣的原材料，幫助提高學生的科學文化素養(yǎng).將智能手機合理化運用于物理實驗，不僅可以創(chuàng)造性地改進和輔助傳統(tǒng)實驗，提高學生創(chuàng)新設(shè)計實驗的能力，還有利于學生在實驗過程中將物理知識、社會生活與科技發(fā)展相聯(lián)系，提高學生物理學科核心素養(yǎng).

由于條件的限制性，本文并未能將智能手機傳感器輔助的實驗教學付諸實踐，因此，未能進行實際教學效果的驗證.相信今后基于智能手機傳感器輔助完成物理實驗及教學研究將會迎來更加光明的發(fā)展前景.