基于Phyphox軟件探究電梯運(yùn)行加速度

李丹丹

摘? 要：高中《物理》必修一第一章涉及到的速度與加速度關(guān)系，學(xué)生剛學(xué)習(xí)時(shí)對于加速度的感知并不能與數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。借助Phyphox軟件通過對電梯運(yùn)動的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，可培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識事物從定性認(rèn)識到定量研究的科學(xué)思維，善于利用工具解決實(shí)際問題的能力，從而提高學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電梯運(yùn)行;Phyphox軟件;加速度

1.Phyphox軟件介紹

Phyphox是德國亞琛工業(yè)大學(xué)第二物理研究所基于傳感設(shè)計(jì)開發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)手機(jī)軟件，Phyphox軟件可實(shí)現(xiàn)29種內(nèi)置功能，可用于光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、磁場等實(shí)驗(yàn)[錯(cuò)誤！未定義書簽。]。Phyphox通過訪問手機(jī)內(nèi)置的傳感器，直接測量相關(guān)數(shù)據(jù)。利用它可以研究、分析一些基本運(yùn)動，如滾動、彈性碰撞、圓周運(yùn)動等。

2.測量電梯運(yùn)行規(guī)律

打開Phyphox軟件點(diǎn)擊“電梯”項(xiàng)目，將手機(jī)放置在電梯底面上，切勿人為干擾，使手機(jī)與電梯相對靜止。筆者選擇某師范大學(xué)理科第二綜合樓的7層電梯，從1樓到7樓進(jìn)行多次測試。在沒有啟動電梯前，點(diǎn)擊右上方的開始按鈕即“三角按鈕”之后，啟動電梯從1層乘坐到7層;當(dāng)電梯停止時(shí)按下暫停鍵（相同位置），得到如下運(yùn)動圖像（圖1）。

2.1加速度與時(shí)間的關(guān)系

常識中電梯在運(yùn)行中經(jīng)歷先加速、再勻速、最后減速直到速度為0的過程。鮮有學(xué)生知道加速度隨時(shí)間如何變化。經(jīng)多次測量對導(dǎo)出的數(shù)據(jù)各項(xiàng)物理量求平均值，并對加速度和時(shí)間兩個(gè)物理量進(jìn)行圖像處理（圖2）。以上知電梯運(yùn)行中的加速度變化經(jīng)歷7個(gè)階段，且加速度的正向增加和減少與反向增加和減少的變化時(shí)間具有對稱性，由此特性便能輕易求出電梯運(yùn)行最大速度。

2.2加加速度

類比加速度定義，加加速度即為：加速度對時(shí)間的變化率，用字母j表示

有些人在乘坐電梯剛啟動或者停止時(shí)會感受到不舒服或者有眩暈的感覺，其實(shí)因?yàn)榧蛹铀俣冗^大;加速度值變化太快會對人形成沖擊力，人對加加速度的忍受有一定范圍，對于汽車人可以忍受的最大橫向加加速度約為0.4～1.0m·s-3，在鐵路設(shè)計(jì)中，一般采用法向加加速度：

因此由以上的數(shù)據(jù)分析，對第二理科綜合樓的加加速度進(jìn)行計(jì)算：

可以看到筆者所測試的電梯的加加速度在人體所能承受的范圍之內(nèi)。對于這部分內(nèi)容學(xué)生不僅明白了加速度的定義，更會根據(jù)類比理解加加速度概念，拓展學(xué)生的科學(xué)視野，增強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的濃厚興趣。

2.3電梯運(yùn)行物理模型

從以上真實(shí)的數(shù)據(jù)圖像中，很容易建立起加速度與時(shí)間關(guān)系的模型，因此速度與時(shí)間的關(guān)系模型也能輕易得出。

圖3中a-t圖v-t圖的時(shí)間一一對應(yīng)，學(xué)生便能清晰地解釋v-t圖的速度是如何變化的即：0～t1電梯在啟動時(shí)先做加速度增大的加速直線運(yùn)動;t1～t2電梯做勻加速直線運(yùn)動;t2～t3做加速度減小的加速直線運(yùn)動;t3～t4做勻速直線運(yùn)動，此時(shí)電梯的速度達(dá)到最大值;t4～t5做加速度增大的減速直線運(yùn)動;t5～t6做勻減速直線運(yùn)動;t6～t7電梯做加速度減小的減速直線運(yùn)動。

3.教學(xué)應(yīng)用

學(xué)生利用Phyphox軟件非常方便就可以測出電梯在運(yùn)動時(shí)的各種物理量的一系列數(shù)據(jù)。通過自己動手處理數(shù)據(jù)，畫出圖像，增強(qiáng)學(xué)生對一個(gè)實(shí)際問題的研究能力、對數(shù)據(jù)的處理能力。更加重要的是，學(xué)生能從具體地?cái)?shù)據(jù)和運(yùn)動圖像中抽象出物體運(yùn)動模型，明顯的提升學(xué)生的計(jì)算思維，使學(xué)生不再局限于課本圖像的認(rèn)識和學(xué)習(xí)，而是自己經(jīng)歷一個(gè)科學(xué)探究、體會科學(xué)的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭雪鵬.借助“科學(xué)雜志”探究電梯的運(yùn)行規(guī)律[J].物理教師，2017，38（06）：77-79.