利用智能手機(jī)進(jìn)行微小形變觀察實(shí)驗(yàn)

黃少楚 王笑君

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

物理教學(xué)中，微小形變的演示實(shí)驗(yàn)可以形象地說明力的作用效果[1]．在高中物理教科書中介紹了以光放大法為原理的微小形變演示裝置，讓學(xué)生感性地“看”到微小形變．

而近年來，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，一些精巧的傳感器被搭載于智能手機(jī)上并且能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)快速的數(shù)據(jù)測量和顯示．同時，智能手機(jī)也逐漸地在學(xué)生群體內(nèi)普及．因此，目前智能手機(jī)被廣泛運(yùn)用于物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，逐漸成為一種實(shí)驗(yàn)的工具與激發(fā)學(xué)生興趣的方式[2]．本文使用智能手機(jī)中的phyphox軟件作為輔助軟件，探討智能手機(jī)在微小形變觀察實(shí)驗(yàn)中的用途與效果，期望能為微小形變實(shí)驗(yàn)的觀察提供一種新的思路以及為學(xué)生課外探究活動提供一個新的方案．

1 實(shí)驗(yàn)方法和過程介紹

phyphox是一款可以實(shí)時測量加速度、光強(qiáng)、角速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量的傳感器套件，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量與分析[3]．在本次實(shí)驗(yàn)的過程中，使用智能手機(jī)的phyphox軟件來運(yùn)行傳感器從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．圖1為軟件的界面圖，下文的實(shí)驗(yàn)涉及到了軟件當(dāng)中的Gyroscope功能、Acceleration(without g)功能、Magnetometer功能，分別對應(yīng)角速度測量、加速度測量、磁感應(yīng)強(qiáng)度測量．接下來的內(nèi)容將逐步介紹實(shí)驗(yàn)的方法和過程．

圖1 phyphox軟件界面圖

1.1 利用角速度測量功能探測微小形變

軟件中的Gyroscope功能利用的是手機(jī)內(nèi)部的角速度傳感器，可以對手機(jī)發(fā)生的微小轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)快速精確的反應(yīng)與信號捕捉．一旦手機(jī)在左右方向或者上下方向出現(xiàn)了微小的方向轉(zhuǎn)動，傳感器便會快速感應(yīng)出變化的過程，做出反應(yīng)[3]．

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)的過程中將智能手機(jī)固定在桌子的表面上，圖中A為智能手機(jī)．實(shí)驗(yàn)前，打開phyphox軟件中的Gyroscope功能，點(diǎn)擊至“ABSOLUTE”的統(tǒng)計界面，隨后啟動統(tǒng)計并按壓桌子．

在手機(jī)旁按壓桌子的過程中，桌面發(fā)生微小的形變使得手機(jī)的位置相比于按壓前發(fā)生了微小的轉(zhuǎn)動變化，因此手機(jī)中的角速度傳感器便可以快速針對桌面的微小形變做出反應(yīng)并且反饋數(shù)據(jù)圖像．而為了盡可能避免手按壓速度以及其他因素帶來的影響，本次實(shí)驗(yàn)需先將手輕輕放置在桌子上，隨后再分別使用不同的力度均勻有序地按壓．

圖2 探測微小形變實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3為軟件所獲得的“角速度-時間”曲線圖像．每當(dāng)實(shí)驗(yàn)者在桌板的上方有序均勻地按壓桌子使桌子發(fā)生微小形變時，曲線圖像會出現(xiàn)一道明顯的峰值．本次實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了4次不同力度的按壓，可以觀測到圖像有4個明顯的峰值，且峰值隨著按壓力度的增大也會相應(yīng)地增大．由于手機(jī)的感應(yīng)十分迅速，因此圖像的變化和人手的按壓是同步的，能夠很好地保證實(shí)驗(yàn)的效果．

圖3 角速度傳感器采集的數(shù)據(jù)圖樣

1.2 利用加速度測量功能探測微小形變

軟件中的Acceleration(without g)功能利用的是手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器，可以精準(zhǔn)快速地探測手機(jī)加速度的變化，對手機(jī)發(fā)生的微小移動做出快速精確的反應(yīng)與信號捕捉[3]．

實(shí)驗(yàn)的過程中，將手機(jī)按照圖2所示放置，打開軟件的Acceleration(without g)功能，點(diǎn)擊至“ABSOLUTE”的統(tǒng)計界面，使其靜止時顯示加速度約為零．隨后，啟動統(tǒng)計功能并在手機(jī)的一旁按壓桌子．與上文1.1所述實(shí)驗(yàn)類似，為了盡可能避免手按壓速度以及其他因素帶來的影響，實(shí)驗(yàn)時需先將手輕輕放置在桌子上，隨后再分別使用不同的力度均勻有序地按壓．

圖4為軟件所獲得的“加速度-時間”曲線圖像．實(shí)驗(yàn)測量時共使用不同的力度按壓桌子4次，每次按壓均使得圖像出現(xiàn)了一次明顯的峰值，且峰值隨著力度的增加而逐漸增大．由此可以看出，該功能亦可以實(shí)現(xiàn)對微小形變的快速反應(yīng)與顯示．

圖4 加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)圖樣

1.3 利用磁感應(yīng)強(qiáng)度測量功能探測微小形變

智能手機(jī)phyphox軟件的磁感應(yīng)強(qiáng)度測量功能可以對手機(jī)周圍的磁場進(jìn)行快速精確的測量并且能通過曲線圖反映周圍磁場的變化[3]．在該實(shí)驗(yàn)中，需要利用一塊強(qiáng)磁鐵輔助．每當(dāng)強(qiáng)磁鐵發(fā)生微小的移動，周圍磁場會發(fā)生明顯變化，因此手機(jī)便可以快速感應(yīng)并通過圖像反饋．

如圖5所示，A為智能手機(jī)，擺放在凳子的上方，B為強(qiáng)磁鐵，被固定在桌子的下方．實(shí)驗(yàn)前，打開phyphox軟件中的磁感應(yīng)強(qiáng)度測量功能，點(diǎn)擊至“ABSOLUTE”的統(tǒng)計界面，然后將手機(jī)固定在凳子上，使得手機(jī)被放置在強(qiáng)磁鐵的正下方．準(zhǔn)備就緒后啟動統(tǒng)計功能并且按壓桌子．

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖6為軟件所獲得的“磁感應(yīng)強(qiáng)度-時間”曲線圖像．每當(dāng)實(shí)驗(yàn)者在桌板的上方適當(dāng)按壓桌子使桌子發(fā)生微小形變時，由于磁鐵的位置跟隨著發(fā)生微小移動，因此手機(jī)顯示的圖像會出現(xiàn)變化．本次實(shí)驗(yàn)使用逐漸增大的力度按壓桌子4次，所以圖像也因此呈現(xiàn)出4個逐漸變大的峰值．手機(jī)的感應(yīng)十分迅速，圖像的變化和人手的按壓是同步的，因此也能夠很好地保證實(shí)驗(yàn)的效果．

圖6 磁傳感器采集的數(shù)據(jù)圖樣

2 教學(xué)功能分析

智能手機(jī)的應(yīng)用有利于提高課堂的多樣性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的熱情[4]．上文分別介紹了3種利用智能手機(jī)進(jìn)行微小形變實(shí)驗(yàn)的方法．其中，利用角速度傳感器和加速度傳感器是借助于記錄下桌子微小形變的快慢程度來輔助實(shí)驗(yàn)中對微小形變的觀察，磁傳感器則是利用磁鐵位置變化而產(chǎn)生的磁場改變來反映出桌子微小形變的程度．3種實(shí)驗(yàn)的方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對微小形變現(xiàn)象的觀測，而且還有助于探究按壓力度不同時的形變大小變化．接下來，對其教學(xué)功能進(jìn)行分析.

2.1 實(shí)驗(yàn)方便快捷 現(xiàn)象明顯

3個實(shí)驗(yàn)均不需要使用過多的器材，只需要一部智能手機(jī)和一塊強(qiáng)磁鐵即可完成實(shí)驗(yàn)，有效地避免教師在準(zhǔn)備器材時消耗過多時間與精力．另外，傳統(tǒng)的光放大實(shí)驗(yàn)過程中可能會由于學(xué)生的座位影響，導(dǎo)致部分學(xué)生觀察效果并不佳[5]．而利用智能手機(jī)進(jìn)行演示的過程中可以將手機(jī)和課堂投影屏幕相連，這樣學(xué)生便可以通過投影屏幕直觀觀察按壓過程中的曲線變化，現(xiàn)象明顯．在這樣的實(shí)驗(yàn)過程中，有助于教師在課堂上利用圖像引導(dǎo)學(xué)生討論，深入地分析生活中的微小形變，讓課堂更加充滿交流探究的味道．

2.2 適合學(xué)生課后探究 感受科技魅力

現(xiàn)階段，大部分中學(xué)生都能夠在日常生活中接觸到智能手機(jī)．在課堂上利用智能手機(jī)進(jìn)行微小形變實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生感受到現(xiàn)代技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野．除此之外，上文所涉及的實(shí)驗(yàn)簡單，所需要的材料并不復(fù)雜，因此也適合學(xué)生課后探究，有利于充實(shí)學(xué)生的課后時間，培養(yǎng)學(xué)生動手操作的興趣．在此過程中，還涉及了傳感器的應(yīng)用，能讓學(xué)生提前感受科學(xué)技術(shù)的魅力，激發(fā)了解傳感器原理的好奇心，為后期的傳感器教學(xué)做下鋪墊．

3 總結(jié)

在教育領(lǐng)域，促進(jìn)信息技術(shù)與課程的融合，近年來成為教育研究和實(shí)驗(yàn)探索的熱點(diǎn)[6]．本文基于智能手機(jī)當(dāng)中的傳感器種類與特點(diǎn)，介紹了智能手機(jī)應(yīng)用于微小形變觀察實(shí)驗(yàn)的方法和策略．利用智能手機(jī)探究微小形變具有操作簡單、材料易得、現(xiàn)象直觀明顯的特點(diǎn)，不僅適用于課堂演示，還適用于學(xué)生的課后自主探究．在這樣的探究過程中，有助于學(xué)生玩出新的認(rèn)識與花樣，感受物理實(shí)驗(yàn)的趣味．