“用手機(jī)測(cè)自由落體加速度”教學(xué)方案的改進(jìn)優(yōu)化

【摘要】本文對(duì)人教2019年版高中物理教科書數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“用手機(jī)測(cè)自由落體加速度”進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)方案，借助Phyphox軟件，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，了解手機(jī)傳感器的功能，體會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自由落體；高中物理

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中明確提出“要重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式”，并給出相關(guān)定義——“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”［1］.人教2019年版普通高中教科書物理必修第一冊(cè)教師教學(xué)用書中針對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提出的要求是“學(xué)生應(yīng)盡早接觸、學(xué)習(xí)和應(yīng)用”［2］.物理必修第一冊(cè)第二章第四節(jié)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)，教材設(shè)置了做一做“用手機(jī)測(cè)自由落體加速度”.本文在教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)方案作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用科學(xué)探究的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，讓學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法，經(jīng)歷科學(xué)探究，進(jìn)而建立科學(xué)思維，形成物理觀念.

1 問(wèn)題的提出

教材“用手機(jī)測(cè)自由落體加速度”方案中有4個(gè)不好解決的問(wèn)題.

1.1 智能手機(jī)加速度圖線顏色不確定

問(wèn)題1：不同智能手機(jī)，應(yīng)用程序安裝完備后，首先應(yīng)該明確手機(jī)傳感器中x，y，z軸的定義方式，不同系統(tǒng)中定義的x，y，z軸正方向可能不同［3］，顯示的加速度圖線顏色不同，要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)中使用手機(jī)的顯示情況確定x，y，z對(duì)應(yīng)的圖線.

1.2 手機(jī)脫離手掌自由下落難以實(shí)現(xiàn)

問(wèn)題2：因?yàn)槿说姆磻?yīng)時(shí)間有差別，很難做到手掌迅速向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，讓手機(jī)脫離手掌而自由下落；實(shí)際操作時(shí)手機(jī)很容易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，測(cè)出的數(shù)據(jù)誤差較大.

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表述粗略

教材表述：“從圖中可以看出，黃色圖線有一小段時(shí)間的數(shù)值是－10m/s2，這就是自由落體加速度，方向向下.”［4］

問(wèn)題3：圖線有一小段時(shí)間的數(shù)值接近于-10m/s2，并不是－10m/s2；對(duì)于“-”號(hào)的含義也沒(méi)有交代清楚；方向豎直向下，而不是方向向下.

1.4 坐標(biāo)軸代表的加速度方向交代不清

教材表述：“我們還能看到，自由落體之后有一個(gè)向上的波峰，這是用手接住手機(jī)時(shí)手機(jī)做減速運(yùn)動(dòng)的加速度，方向向上.”［4］

問(wèn)題4：一是沒(méi)有明確指出坐標(biāo)軸方向代表的加速度方向，二是“方向豎直向上”，而不是“方向向上”.

2 方案的改進(jìn)

2.1 將手機(jī)長(zhǎng)邊豎直放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究

用拇指和食指捏著手機(jī)長(zhǎng)邊豎直放置在水平桌面上，筆者所用手機(jī)加速度傳感器（不含g）界面會(huì)看到綠、藍(lán)、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機(jī)沿圖1所示方向的加速度變化情況，這樣放置，y軸表示豎直方向的加速度變化情況.

2.2 讓手機(jī)長(zhǎng)邊保持豎直自由落下

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)操作，筆者發(fā)現(xiàn)，只要做到兩點(diǎn)，一是保證拇指和食指捏著手機(jī)時(shí)不抖動(dòng)，二是松開拇指和食指時(shí)保證手機(jī)不晃動(dòng)，讓手機(jī)長(zhǎng)邊保持豎直自由落下，手機(jī)就能沿豎直方向自由落下，當(dāng)接觸到海綿墊時(shí)發(fā)生反彈，在Phyphox加速度傳感器（不含g）界面就會(huì)出現(xiàn)較為理想的實(shí)驗(yàn)圖線.

3 科學(xué)探究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

用手機(jī)測(cè)武威市區(qū)自由落體加速度.

3.2 實(shí)驗(yàn)器材

智能手機(jī)，Phyphox實(shí)驗(yàn)軟件中的加速度傳感器（不含g），海綿墊，計(jì)算機(jī).

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

智能手機(jī)安裝Phyphox實(shí)驗(yàn)軟件，在加速度傳感器（不含g）界面會(huì)看到綠、藍(lán)、黃三條加速度圖線，它們分別記錄手機(jī)沿圖1所示方向的加速度變化情況.將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到釘釘APP，在計(jì)算機(jī)上分析可得武威市區(qū)自由落體加速度的大小和方向.

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用拇指和食指捏著手機(jī)長(zhǎng)邊豎直放置在水平桌面上，開啟Phyphox加速度傳感器（不含g），讓手機(jī)水平移動(dòng)一下，可以看到加速度圖線的x軸綠線和z軸黃線出現(xiàn)一段波動(dòng)圖線.

（2）把手機(jī)沿豎直方向移動(dòng)一下，可以看到x軸綠線、y軸藍(lán)線和z軸黃線均出現(xiàn)一段波動(dòng)圖線，實(shí)驗(yàn)表明，藍(lán)色圖線記錄手機(jī)豎直方向的加速度.

說(shuō)明：系統(tǒng)默認(rèn)豎直向上為加速度正方向，豎直向下為加速度負(fù)方向.

（3）在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上放好海綿墊，做好手機(jī)安全防護(hù)的前提下，用單手的拇指和食指捏住手機(jī)，確保手機(jī)長(zhǎng)邊豎直，設(shè)置Phyphox定時(shí)運(yùn)行，延遲3秒，運(yùn)行2秒.

（4）點(diǎn)擊開始按鈕，倒計(jì)時(shí)讀秒3，2，1，當(dāng)手機(jī)屏幕上出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，突然彈開拇指和食指，釋放手機(jī)，手機(jī)就會(huì)自由落下，Phyphox就會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采樣和圖標(biāo)繪制，程序在運(yùn)行2秒之后自動(dòng)停止.

（5）觀察手機(jī)屏幕上加速度傳感器的圖線，如圖2所示.從圖2中可以看到，藍(lán)色圖線有一小段平行于時(shí)間軸，這是手機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度；我們還能看到，自由落體運(yùn)動(dòng)之后還有一個(gè)向上的波峰，這是手機(jī)落到實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)手機(jī)做減速運(yùn)動(dòng)的加速度，方向豎直向上.

（6）手機(jī)導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到釘釘APP.

3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

說(shuō)明：在手機(jī)導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Excel表格中共有5列，A列表示時(shí)間，B列表示x軸方向的加速度，C列表示y軸方向的加速度，D列表示z軸方向的加速度，E列表示絕對(duì)加速度.本實(shí)驗(yàn)中y軸方向的加速度，即為豎直方向的加速度.

在多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析比較，選擇最理想的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，數(shù)據(jù)C列中有一小段時(shí)間內(nèi)的加速度數(shù)值大小接近于自由落體加速度的標(biāo)準(zhǔn)值9.80665m/s2.

經(jīng)查閱，北京市位于北緯39°56′，自由落體加速度為9.801m/s2；上海市位于北緯31°12′，自由落體加速度為9.794m/s2；武威市位于北緯37°93′，可以確定武威市自由落體加速度介于9.801m/s2和9.794m/s2之間，從圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，自由落體加速度約為-9.797 m/s2，根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)的加速度方向，可以確定武威市區(qū)自由落體加速度大小約為9.797 m/s2，方向豎直向下.

3.6 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Excel表格中，B列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示x軸方向有較小的加速度，D列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示z軸方向也有較小的加速度，表明手機(jī)并不是只做豎直方向的運(yùn)動(dòng).

師生討論總結(jié)可能造成實(shí)驗(yàn)誤差的原因，如表1所示.

4 教學(xué)啟示

4.1 實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果

對(duì)于“用手機(jī)測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)加速度”實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化，切實(shí)解決了實(shí)驗(yàn)效果不佳以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)粗略的問(wèn)題；課堂教學(xué)中學(xué)生對(duì)于新型科學(xué)技術(shù)表現(xiàn)出了濃厚的興趣.

4.2 充分發(fā)揮了Phyphox軟件適時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能

實(shí)驗(yàn)中Phyphox軟件適時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)出到釘釘APP，在Excel表格中可以方便地對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，省略了計(jì)算的過(guò)程，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間.

4.3 遵循科學(xué)探究規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

“用手機(jī)測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)加速度”實(shí)驗(yàn)優(yōu)化改進(jìn)，讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)探究的完整過(guò)程，突出問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等科學(xué)探究要素，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).

創(chuàng)造性地使用教材，讓物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、效果更理想、科學(xué)探究要素更突出、促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)落地更有效，應(yīng)該成為每一位物理教師追求的教育教學(xué)目標(biāo).

【本文系甘肅省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度重點(diǎn)課題“三新課改背景下高中物理實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作及創(chuàng)新優(yōu)化策略研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：GS［2023］GHBZ173）的階段性成果】

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書教師教學(xué)用書（物理必修第一冊(cè)）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［3］鄒麗暉.基于手機(jī)傳感器的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究——以手機(jī)加速度計(jì)測(cè)自由落體加速度為例［J］.中學(xué)物理（高中版），2019，37（05）：28-30.

［4］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第一冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2019.