利用Phyphox軟件突破超重和失重教學(xué)難點問題

摘 要：在高中物理日常教學(xué)中，“超重和失重”是牛頓運動定律的最后一節(jié)內(nèi)容，是牛頓第二定律知識遷移和重要應(yīng)用.在日常教學(xué)中占據(jù)比較高的地位.教材中關(guān)于人在體重計上蹲起的實驗用了很大篇幅，但是人在體重計上蹲起會出現(xiàn)示數(shù)變化較快，不方便記錄數(shù)據(jù)，同時還需要思維進一步加工處理數(shù)據(jù)，對學(xué)生的能力要求較高等難點.本文講解一種更直觀的教學(xué)手段：利用手機Phyphox軟件獲取加速度，多機位拍攝人在體重秤上蹲起的狀態(tài)和示數(shù)，再采用視頻合成慢放的方法，對該難點進行突破.

關(guān)鍵詞：超重和失重；手機；Phyphox；體重秤

中圖分類號：G632? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1008-0333（2023）27-0068-03

收稿日期：2023-06-25

作者簡介：張萬里（1993.11-），男，安徽省宿州人，碩士，中學(xué)二級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

超重和失重是現(xiàn)實生活中常見的現(xiàn)象，也是學(xué)生概念容易出錯的章節(jié)，很多學(xué)生會認(rèn)為超重就是重力增加了、失重就是重力減小了，或者認(rèn)為超重失重與物體運動方向或速度大小有關(guān)[1].究其原因是學(xué)生難以直接從運動聯(lián)系力，這之間的思維跨度較大.在新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求中為：通過實驗，認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象.在日常教學(xué)中應(yīng)該以實驗探究為手段，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)與討論實驗現(xiàn)象、分析實驗數(shù)據(jù)、最終自主獲得這一部分知識.

在日常教學(xué)中，教師通常采用人乘坐電梯上下樓的視頻來處理，省略了探究的過程.另外，在教材中，利用人站在體重計上下蹲引入本節(jié)課，同時在后面的“思考與討論”中展示了人在下蹲和站起的過程中力傳感器的示數(shù)，說明人蹲起的過程是探究超重和失重的非常重要實驗.但是人下蹲過程體重計上示數(shù)變化比較快，不方便記錄數(shù)據(jù)，并且只能少數(shù)學(xué)生能真正觀察到實驗.后面“思考與討論”上的圖更是需要思維進一步加工處理，明白什么時候是站立狀態(tài)，什么時候是下蹲、起立過程.對學(xué)生的能力要求較高，對初學(xué)者來說難以理解.

為了突破這一難題，本文借助手機自帶的加速度傳感器，實時顯示人的加速度大小和方向，并用多機位拍攝人在體重秤上蹲起時體重秤和人蹲起過程的視頻，再采用視頻合成、慢放的方法，更直觀地展示蹲起過程中的超重和失重現(xiàn)象問題.

1 手機傳感器

智能手機功能越來越強大，利用智能手機可以測量光、加速度、向心加速度、彈簧振子、單擺等信息，并實時以數(shù)字或圖形的形式展示出來.本實驗借用手機物理工坊（Phyphox）軟件，探測手機沿y軸方向（豎直方向）的加速度，并將加速度隨時間的變化以圖形的形式展現(xiàn)出來.（說明：軟件可通過應(yīng)用商城免費下載.）

2 實驗過程

2.1 實驗準(zhǔn)備

首先找一位身體素質(zhì)較好的同學(xué)，把手機用膠帶綁在學(xué)生的手臂上，如圖1所示，并交待學(xué)生在蹲起的過程手臂夾緊身體，這樣就可以近似認(rèn)為手機的運動和人重心的運動一樣.用手機可以近似測出人體重心運動的加速度.

打開手機物理工坊軟件，并選擇加速度（不含g），這樣得到的加速度就是減去重力加速度后的數(shù)據(jù).點擊圖表.點擊運行按鈕（右上角的“三角形”按鈕），顯示加速度的即時變化.正值為加速度方向向上，負(fù)值為加速度方向向下.

2.2 實驗過程

讓該同學(xué)站在體重秤上，體重秤就會顯示該同學(xué)的體重，由于實際生活中體重常用“斤”作為單位，學(xué)生對“斤”這個單位比較敏感.所以我們將體重秤的單位改為“斤”.再找兩個同學(xué)分別用手機錄制體重秤的示數(shù)和學(xué)生蹲起的過程.

2.3 實驗圖像處理

利用三個手機分別錄制該同學(xué)蹲下和起立過程中不同視角的視頻，分別獲得蹲起過程中的姿態(tài)、體重秤示數(shù)和加速度的大小和方向數(shù)據(jù).由于時間極短，轉(zhuǎn)瞬即逝.所以三個視頻都利用“剪映”軟件先都慢放十倍，這樣可以把整個蹲起過程的時間擴大到一分鐘左右，給學(xué)生以充足的反應(yīng)時間.同時將三個視頻剪切在一起，同時播放學(xué)生蹲起狀態(tài)、體重秤示數(shù)、加速度情況.讓學(xué)生更直觀地看到三者的關(guān)系.也可以有意識地引導(dǎo)學(xué)生先觀察其中人在蹲起時的姿態(tài)和對應(yīng)的體重秤示數(shù)變化，再觀察體重秤示數(shù)的變化和加速度圖像的聯(lián)系，最后三者一起看，降低思維間的跨度，更容易理解三者之間的關(guān)系，并徹底清晰蹲起的過程中超重和失重情況.

圖4為將三個視頻合成在一起的圖像，圖像的最底層為加速度傳感器上加速度的圖像，正值表示加速度方向向上，負(fù)值表示加速度方向向下.圖形上下起伏是因為傳感器比較靈敏，并且學(xué)生也不可能完全的靜止不動，所以有加速度在0附近的微小浮動.

2.4 實驗現(xiàn)象

2.4.1 下蹲過程

學(xué)生靜止站在體重秤上時為137.5斤，下蹲開始狀態(tài)時，如圖5所示，體重秤的示數(shù)明顯小于重力，人處于失重狀態(tài).同時觀察到視頻的最右邊加速度的瞬時值，發(fā)現(xiàn)加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下，表示失重狀態(tài).

如圖6所示，學(xué)生快蹲到最低點時，體重秤的示數(shù)明顯大于人的重力，人處于超重狀態(tài).同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上，表示超重狀態(tài).

2.4.2 起立過程

如圖7所示，學(xué)生剛起立時，體重秤的示數(shù)明顯大于人的重力，人處于超重狀態(tài)[2].同時觀察到加速度的瞬時值接近+10 m/s2.即加速度方向向上，表示超重狀態(tài).

如圖8所示，起立到將要站直身體時，體重秤的示數(shù)明顯小于重力，人處于失重狀態(tài).同時觀察到加速度的瞬時值接近-10 m/s2.即加速度方向向下，表示失重狀態(tài).

2.5 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

為了更清晰地展示超重失重與什么因素有關(guān)，可以設(shè)計表格，讓學(xué)生根據(jù)視頻中獲得的數(shù)據(jù)填入表格中，再分析數(shù)據(jù)：

由以上分析可知，人在下蹲的過程中先失重再超重，對應(yīng)加速度方向先向下再向上；起立的過程中先超重再失重，對應(yīng)的加速度方向先向上再向下.由此很輕易地得出：超重與失重并不是物體的重力增加或者減小了，更是與速度大小無關(guān)；僅僅與物體的加速度方向有關(guān).

3 實施建議

課堂教學(xué)時，可以準(zhǔn)備一個帶藍(lán)牙的體重計，可以在手機上實時顯示體重計上的示數(shù).首先讓學(xué)生猜測一下，人在蹲起的過程中體重計的示數(shù)有怎樣的變化，然后選一個男生上臺演示在體重計上的蹲起，這時將手機屏幕投屏到多媒體上，讓所有學(xué)生看到示數(shù)的變化，從而引起學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣.這時學(xué)生會看到體重計上示數(shù)是有變化的，但是變化太快一下子不能反應(yīng)過來，由此引出提前準(zhǔn)備好的慢放視頻，讓學(xué)生們對照視頻填寫數(shù)據(jù)記錄表（可以在關(guān)鍵點時暫停一下，給學(xué)生時間記錄），并讓學(xué)生間討論，得出結(jié)論.

利用該實驗有如下優(yōu)點：

（1）將學(xué)生參與實驗的門檻大大降低了，學(xué)生可以在家里重復(fù)實驗，學(xué)生的體驗性特別好.

（2）通過現(xiàn)場演示，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性；速度，加速度等信息都可以直接找到，省略了學(xué)生從速度到加速度的思維過程，可以直接分析超失重與加速度的關(guān)系，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)知識的門檻.

（3）將人蹲起過程中枯燥繁瑣的數(shù)字、邏輯推理轉(zhuǎn)化為了更簡單易懂的圖形.將轉(zhuǎn)瞬即逝、不便記錄的難題，通過視頻慢放并剪輯在一起實現(xiàn)新突破.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張錫娟，姜玉梅.中學(xué)物理教學(xué)案例設(shè)計集錦：全國大學(xué)生教學(xué)技能大賽揚州大學(xué)歷屆參賽設(shè)計作品[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2013.

[2] 匡緣.學(xué)習(xí)遷移理論在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用[D].武漢：華中師范大學(xué)，2009.

［責(zé)任編輯：李 璟］