基于智能手機(jī)軟件Phyphox的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：智能手機(jī)是當(dāng)下使用較為普遍的電子設(shè)備之一，自帶多種傳感器，利用智能手機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)符合時(shí)代發(fā)展特點(diǎn)。Phyphox是一款手機(jī)應(yīng)用程序，將其引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂，能有效提升課堂教學(xué)效果。主要研究如何利用智能手機(jī)中的Phyphox軟件探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，先分析高中物理教材中“用補(bǔ)償阻力法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”和“通過(guò)位移之比測(cè)量加速度之比”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參考案例各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，最后對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施進(jìn)行反思，并對(duì)Phyphox軟件在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理；實(shí)驗(yàn)研究；智能手機(jī)；Phyphox

基金項(xiàng)目：本文系江西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度中小學(xué)系列一般課題“智能手機(jī)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用——以Phyphox軟件為例”（課題編號(hào)：23JYB157）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：楊沛蕓（1993—），女，江西省臨川第一中學(xué)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理課程教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。為了落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)，強(qiáng)化科學(xué)教育與實(shí)踐教學(xué)，中學(xué)物理教師應(yīng)時(shí)刻關(guān)注時(shí)代與科技發(fā)展的動(dòng)向，把適宜的信息技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)生了明顯的變化。智能手機(jī)是當(dāng)下使用較為普遍的電子設(shè)備之一，自帶多種傳感器，因此，中學(xué)物理教師可利用智能手機(jī)輔助開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)。物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中必定會(huì)學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)?，F(xiàn)在的智能手機(jī)具有多種功能，可輔助教師完成不少傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，甚至可以幫助教師創(chuàng)新設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)。本文旨在研究智能手機(jī)中Phyphox軟件在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

一、 Phyphox軟件介紹

Phyphox是一款手機(jī)應(yīng)用軟件，主頁(yè)菜單中有原始傳感器、力學(xué)、聲學(xué)、工具、日常生活、計(jì)時(shí)器等多個(gè)項(xiàng)目功能［1］。在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以合理引入Phyphox軟件，充分發(fā)揮該軟件的優(yōu)勢(shì)，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。本文主要探究如何利用智能手機(jī)中的Phyphox軟件探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。

二、應(yīng)用案例

新的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)校充分利用已有的實(shí)驗(yàn)器材，努力開(kāi)發(fā)適合本校情況的實(shí)驗(yàn)課程資源，盡可能讓學(xué)生自己動(dòng)手多做實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)屬于人教版物理必修第一冊(cè)第四章的內(nèi)容［2］，是學(xué)生必做的高中物理實(shí)驗(yàn)之一。

物理教材的《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》一課中參考案例一探討了如何利用補(bǔ)償阻力法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。在利用補(bǔ)償阻力法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，教師要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)前要把長(zhǎng)木板遠(yuǎn)離定滑輪的一端用木塊墊高，通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板傾角使小車(chē)在不受牽引（細(xì)線下端未掛槽碼）時(shí)能做勻速直線運(yùn)動(dòng)；（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)改變細(xì)線下方懸掛槽碼的個(gè)數(shù)來(lái)改變小車(chē)所受的合外力或通過(guò)增減小車(chē)內(nèi)砝碼的個(gè)數(shù)來(lái)改變小車(chē)的總質(zhì)量。在根據(jù)該方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于學(xué)生已較為熟悉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的操作和使用，因此其能夠定量測(cè)出加速度的值。但此參考案例需要學(xué)生平衡摩擦力，而平衡摩擦力的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作步驟對(duì)中學(xué)生而言有一定難度。此外，此參考案例中，學(xué)生需要運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并處理紙帶數(shù)據(jù)，而處理紙帶數(shù)據(jù)運(yùn)算量較大，耗時(shí)較長(zhǎng)且易出錯(cuò)，不容易得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

教材中參考案例二探討了如何通過(guò)位移之比測(cè)量加速度之比。兩輛相同的小車(chē)同時(shí)開(kāi)始做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)的位移之比就可以作為它們的加速度之比。該方案具有實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)器材易得、學(xué)生操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。但該方案沒(méi)有定量測(cè)出加速度的大小，缺乏直接證據(jù)說(shuō)明加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，因此也無(wú)法直接得到加速度與力、加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系圖像。

筆者在教材實(shí)驗(yàn)案例的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，引入了Phyphox軟件。在此實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可利用Phyphox軟件中的“加速度（不含g）”功能測(cè)量小車(chē)在長(zhǎng)木板上運(yùn)動(dòng)的加速度，利用Excel軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并畫(huà)出圖像，分析加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

（一）實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用了控制變量法：當(dāng)小車(chē)質(zhì)量一定時(shí)，探究加速度與力的關(guān)系；當(dāng)小車(chē)所受的力一定時(shí)，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。Phyphox軟件中的“加速度傳感器”功能主要是通過(guò)手機(jī)坐標(biāo)系在x、y、z軸的位移變化來(lái)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度的［3］。

（二）主要實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)主要用到的儀器如下：一端有定滑輪的長(zhǎng)木板（軌道）、磁吸式手機(jī)支架、能固定磁吸式手機(jī)支架的小車(chē)、下載安裝有Phyphox軟件的智能手機(jī)、天平（含配套砝碼）、電子秤、小桶、細(xì)線、鉤碼、筆記本電腦等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

（三）實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

1.先將磁吸式手機(jī)支架固定在小車(chē)上，再將一塊引磁貼片固定在手機(jī)背面。做實(shí)驗(yàn)前先用天平或電子秤測(cè)量空桶、手機(jī)（含引磁貼片）、小車(chē)（含磁吸式手機(jī)支架）等物體的質(zhì)量。

2.用磁吸式手機(jī)支架將手機(jī)固定在小車(chē)上。打開(kāi)智能手機(jī)自帶的測(cè)距儀軟件，選擇水平儀功能，微調(diào)手機(jī)角度，直至變綠。

3.測(cè)量加速度之前應(yīng)補(bǔ)償阻力，平衡摩擦力。先調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板傾角，再輕推小車(chē)，當(dāng)觀察到加速度為零時(shí)，說(shuō)明已平衡摩擦力。若觀察到的加速度不為零，則需要繼續(xù)調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板傾角，并輕推小車(chē)，直至觀察到的加速度為零。

4.先用筆記本電腦連接智能手機(jī)熱點(diǎn)，再打開(kāi)智能手機(jī)中的Phyphox軟件，在菜單頁(yè)面找到“原始傳感器”并點(diǎn)擊，進(jìn)入“加速度（不含g）”功能界面。點(diǎn)擊界面右上角“…”號(hào)，選擇“啟用遠(yuǎn)程訪問(wèn)”功能。確認(rèn)安全警告后，在電腦端瀏覽器中輸入智能手機(jī)Phyphox界面下方出現(xiàn)的網(wǎng)址，即可在電腦上同步觀測(cè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5.在測(cè)量一組加速度時(shí)，先將鉤碼放入小桶內(nèi)，將細(xì)繩繞在定滑輪上，然后釋放小車(chē)，在小車(chē)碰到擋板前點(diǎn)擊屏幕上的暫停鍵，此時(shí)便可看到小車(chē)沿斜面向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度的值。

6.依次增加（減小）小桶中鉤碼的質(zhì)量或依次增加（減?。┬≤?chē)中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作，得到多組加速度數(shù)據(jù)。

（四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)小車(chē)總質(zhì)量M一定時(shí)，探究小車(chē)所受的合外力F與加速度a之間的關(guān)系，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（小車(chē)的總質(zhì)量M=399 g，其中重力加速度取g=9.8 m/s2）。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，用Excel軟件制作相應(yīng)的圖像，如圖2所示。

由上圖可知加速度a隨力F的變化關(guān)系圖像近似一條過(guò)原點(diǎn)的直線，由此可以得出結(jié)論：當(dāng)物體質(zhì)量M一定時(shí)，加速度a與力F成正比。

當(dāng)小車(chē)所受的力F一定時(shí)，探究小車(chē)加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2（鉤碼和桶總質(zhì)量m=55 g）。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可得出圖3。由圖3可知，加速度a與小車(chē)質(zhì)量M的關(guān)系圖像是一條曲線，不能很好地歸納出加速度a與小車(chē)質(zhì)量M的關(guān)系。如若將圖像橫坐標(biāo)物理量換為小車(chē)質(zhì)量的倒數(shù)1/M，則可得圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)加速度a與小車(chē)質(zhì)量的倒數(shù)1/M的關(guān)系圖像近似一條過(guò)原點(diǎn)的直線，由此可以得出結(jié)論：當(dāng)物體所受的力F一定時(shí)，加速度a與質(zhì)量M成反比。

（五）教學(xué)反思

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以有效降低實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理的難度，提高加速度測(cè)量的準(zhǔn)確性，節(jié)約紙帶。此外，本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⑸顚?shí)際應(yīng)用與課堂知識(shí)學(xué)習(xí)有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣，并對(duì)智能手機(jī)在校園生活中的使用起到正面的引導(dǎo)作用。當(dāng)然，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更能讓學(xué)生深刻地理解如何用逐差法求解加速度。將智能手機(jī)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂主要是為了精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效率，教師不能完全拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

智能手機(jī)應(yīng)用商城中物理實(shí)驗(yàn)輔助軟件有很多，Phyphox軟件只是其中一個(gè)。本文篇幅有限，只能著重介紹如何利用智能手機(jī)中的Phyphox軟件探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。除了用Phyphox軟件輔助中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將Phyphox軟件與微控制器結(jié)合在一起進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究也是當(dāng)下物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)方向，但這對(duì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新人員也提出了更高的技術(shù)要求。

除了要把基本的教學(xué)內(nèi)容教授給學(xué)生，中學(xué)物理教師還要時(shí)刻關(guān)注時(shí)代與科技發(fā)展的動(dòng)向，把適宜的信息技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。本文結(jié)合具體案例，對(duì)Phyphox軟件在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，希望能為相關(guān)教師提供有益參考。

［參考文獻(xiàn)］

楊沛蕓.智能手機(jī)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［D］.重慶：西南大學(xué)，2021.

林春丹，葛運(yùn)通，成君寶，等.巧用智能手機(jī)做偏振光實(shí)驗(yàn)和超重失重實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2017，37（9）：16-19.

周和建.利用智能手機(jī)巧做物理實(shí)驗(yàn)［J］.物理之友，2022，38（6）：55-58.