智能手機(jī)參與經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)的研究

武曉磊 劉欣 蘇波

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)從最基本的通信功能演變?yōu)楝F(xiàn)在集多種功能為一體的智能載體，智能手機(jī)內(nèi)部集結(jié)了例如紅外、距離、重力、磁場、氣壓、溫度、濕度、加速度等多種傳感器。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，方便學(xué)生進(jìn)行物理探究，可以利用智能手機(jī)的硬件和軟件設(shè)計(jì)參與很多的物理實(shí)驗(yàn)。本文主要介紹了利用智能手機(jī)參與完成的4個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是智能手機(jī)充當(dāng)信號發(fā)生器在示波器上顯示李薩如圖形，智能手機(jī)充當(dāng)單通道示波器，利用智能手機(jī)和Arduino模塊測定超聲波的聲速，利用手機(jī)的GPS功能測量地球的半徑和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī);物理實(shí)驗(yàn);測量

1 緒論

手機(jī)作為現(xiàn)代生活的隨身用品，其功能已不僅僅是打電話發(fā)短信，而是越來越智能化[1]。利用手機(jī)，可以拍照、上網(wǎng)、娛樂等，給人們的生活帶來了很大的便利。此外，隨著智能手機(jī)內(nèi)置傳感器種類的不斷豐富，以及通過調(diào)用手機(jī)內(nèi)置傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量的相關(guān)程序的不斷開發(fā)，將智能手機(jī)中的內(nèi)置傳感器與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件相結(jié)合，智能手機(jī)可以說是一個(gè)可隨身攜帶的物理小型實(shí)驗(yàn)室[2]。利用其豐富的軟件，各種聲、光、距離、重力、加速度、磁場、氣壓、溫度、濕度等靈敏度較高的傳感器，可以設(shè)計(jì)并參與許多物理實(shí)驗(yàn)[3]，不僅方便，還能大大激發(fā)學(xué)生探究物理的興趣和熱情。在本文中利用智能手機(jī)完成了四個(gè)物理試驗(yàn)：智能手機(jī)充當(dāng)信號發(fā)生器在示波器上顯示李薩如圖形、智能手機(jī)充當(dāng)單通道示波器、利用智能手機(jī)和Arduino模塊測定超聲波的聲速、利用智能手機(jī)測量地球的半徑和質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 智能手機(jī)充當(dāng)信號發(fā)生器在示波器上顯示李薩如圖形

耳機(jī)是智能手機(jī)向外輸出電信號的媒介，根據(jù)這一原理，考慮能否通過耳機(jī)向外輸出可以人為控制的一定頻率一定形狀的電信號，通過查閱大量資料，發(fā)現(xiàn)Waveform Generator Demo軟件可以做到，其輸出的波形有正弦波、三角波、方形波和鋸齒波可供選擇，還可以調(diào)節(jié)輸出電波的頻率和功率。耳機(jī)接頭如圖1所示，一共有4個(gè)部分，分別是左聲道、右聲道、麥克風(fēng)和共地端。其中左聲道、右聲道是輸出端，可以將手機(jī)中的信號輸出;麥克風(fēng)是輸入端，可將外界信號采集并輸入到手機(jī)中，最后一個(gè)是輸入輸出端所共用的地線[4]。

李薩如圖是利用一個(gè)雙通道示波器，把外界輸入的兩個(gè)正弦信號分別加載在X和Y軸上，當(dāng)兩個(gè)正弦電壓的頻率相同或者呈現(xiàn)簡單的整數(shù)比時(shí)，則屏上將顯示出特殊形狀的軌跡，這種軌跡稱為李薩如圖形[5]。李薩如圖形與X和Y軸的最大交點(diǎn)數(shù)n1：n2等于Y軸和X軸的輸入頻率之比。

實(shí)驗(yàn)時(shí)把耳機(jī)的膠質(zhì)塞頭剪下，兩幅耳機(jī)的耳機(jī)頭分別連接兩個(gè)手機(jī)，兩幅耳機(jī)的左聲道分別連接示波器的CH1和CH2通道，兩個(gè)智能手機(jī)通過Waveform Generator Demo軟件輸出正弦波形，調(diào)整手機(jī)輸出頻率和輸出功率，即可在示波器上顯示李薩如圖形。通過不斷調(diào)整兩個(gè)手機(jī)輸出頻率的整數(shù)比，可以得到不同的李薩如圖形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

2.2 智能手機(jī)充當(dāng)單通道示波器

手機(jī)既可以通過耳機(jī)的左右聲道向外發(fā)送一定頻率的電波信號，也可以通過耳機(jī)的麥克風(fēng)接收外界信號，因此，想通過應(yīng)用程序來顯示接收信號的頻率，讓手機(jī)具備示波器功能。查閱資料，發(fā)現(xiàn)通過MicTester軟件可以顯示手機(jī)接收到的麥克風(fēng)信號的頻率。利用Waveform Generator Demo軟件通過耳機(jī)的左聲道發(fā)送正弦信號，另一個(gè)手機(jī)通過MicTester軟件利用麥克風(fēng)接收信號。值得注意的是，因?yàn)槭謾C(jī)只有一個(gè)麥克風(fēng)接口，所以只能當(dāng)作單通道的示波器來使用。

把一副耳機(jī)的膠質(zhì)塞頭剪下，耳機(jī)頭連接手機(jī)，通過Waveform Generator Demo軟件利用耳機(jī)的左聲道向外輸出正弦波;把另一副耳機(jī)的耳機(jī)頭連接手機(jī)，麥克風(fēng)剪下，麥克風(fēng)線連接一個(gè)電容后再連接剛才耳機(jī)的左聲道，手機(jī)即可通過MicTester軟件查看頻率。可以發(fā)現(xiàn)，輸入頻率是2000Hz，軟件上顯示1999Hz。

2.3 測定超聲波的聲速

速度=距離/時(shí)間，只要求得已知距離和時(shí)間，就可以求出速度。Arduino模塊連接超聲波模塊和藍(lán)牙模塊，超聲波模塊可以發(fā)送和接收超聲波，藍(lán)牙模塊和手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行連接從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，距離超聲波模塊一定距離處放一個(gè)擋板，超聲波模塊發(fā)送端正對著擋板，擋板的作用是反射超聲波信號，超聲波模塊和擋板的距離用米尺測量;時(shí)間采用I/O觸發(fā)測量，Arduino給超聲波模塊發(fā)出至少10微秒的高電平信號，開始計(jì)時(shí)，接著超聲波模塊發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，然后檢測是否有信號返回，如果有信號返回，停止計(jì)時(shí)，Arduino記錄的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。手機(jī)APP藍(lán)牙串口助手，可以通過藍(lán)牙讓手機(jī)和Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。把測量得到的距離通過藍(lán)牙串口助手發(fā)送給Arduino，在Arduino上作出計(jì)算，聲速=測試距離×2/時(shí)間，最后再把計(jì)算得到的超聲波速度結(jié)果通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)上顯示。

2.4 測量地球的半徑和質(zhì)量

智能手機(jī)具有GPS定位功能，可以測量某地的經(jīng)度和緯度。使用智能手機(jī)分別測得兩個(gè)城市（位于同一經(jīng)度，不同緯度）的經(jīng)度和緯度，可算得這兩個(gè)城市的緯度差Δθ;利用智能手機(jī)的地圖功能可得到兩城市的距離L[6]，利用圓心角公式：

首先利用智能手機(jī)的地圖軟件測量北京和安徽六安的經(jīng)緯度（北京和安徽六安同經(jīng)度），然后計(jì)算這兩個(gè)城市的緯度差Δθ。再利用智能手機(jī)的地圖軟件測量從北京到安徽六安的直線距離L，利用圓心角公式求得地球半徑R。再利用Sensor Checker軟件得到本地的重力加速度g，代入公式（2），即可求得地球質(zhì)量M。

北京的北緯值和東經(jīng)值分別為39.90°和116.30°，六安的北緯值和東經(jīng)值分別為31.44°和116.28°，利用地圖軟件測得，北京到六安的直線距離為945.14km;利用圓心角公式，可得地球半徑R=6404.26km。查閱相關(guān)資料可知地球半徑理論值為6371km。

利用Sensor Checker軟件求得重力加速度g=9.799m/s2，根據(jù)公式（2），求得地球質(zhì)量M=6.022×1024kg。

根據(jù)一系列的計(jì)算，地球半徑為6404.26km，地球?qū)嶋H半徑為6371km[8]，對誤差為0.52%;地球質(zhì)量為6.022×1024kg，實(shí)際質(zhì)量為5.977×1024kg，相對誤差為0.75%。

3 結(jié)論

上述實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)證都非常成功，說明利用智能手機(jī)參與完成物理實(shí)驗(yàn)不僅會使得實(shí)驗(yàn)更加簡單，操作更加方便，而且還會充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的科研興趣。此外，經(jīng)驗(yàn)證智能手機(jī)自身還帶有很多傳感器，可以直接測量出：重力加速度、溫度、濕度、亮度、壓強(qiáng)等物理量，充分表現(xiàn)了科技的發(fā)展與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的重要性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張雅婷.智能手機(jī)助力高中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的專題研究[D].內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2020.

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[8]劉智謙.使用手機(jī)GPS定位軟件巧測地球半徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018，35（01）：71-72.