手機(jī)傳感器在向心加速度教學(xué)中的應(yīng)用

1、    手機(jī)傳感器在向心加速度教學(xué)中的應(yīng)用    楊潤蓮 葉子萱 龔杰 吳彬垚 龔曉波 陳曉莉【摘 要】利用智能手機(jī)中的傳感器技術(shù)，借助傳感器套件phyphox軟件中加速度與陀螺儀傳感器功能，分別測出加速度和角速度的大小。通過計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，定量地得出向心加速度的大小公式，從而加深學(xué)生對公式的理解與記憶。本文主要介紹了phyphox 軟件的安裝與功能、實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】手機(jī)傳感器;phyphox 軟件;向心加速度;應(yīng)用g633.7  a  1671-8437（2020）04-0244-021   引言做勻速圓周運(yùn)

2、動的物體速度大小不變但方向時(shí)刻改變，稱之為向心加速度。2019年新版高中物理人教版教材先學(xué)習(xí)向心力，再學(xué)習(xí)向心加速度。向心加速度的大小根據(jù)牛頓第二定律由向心力大小公式得出，在后面的拓展學(xué)習(xí)中，再運(yùn)用運(yùn)動學(xué)方法結(jié)合數(shù)學(xué)中極限、微分等推導(dǎo)得出向心加速度的計(jì)算公式，但是向心力的大小只是在定性實(shí)驗(yàn)探究基礎(chǔ)上得出的1。由此可見，如何得出向心加速度定量公式是值得廣大教師思考的。目前，越來越多的老師嘗試在物理課堂上使用智能手機(jī)幫助物理教學(xué)，如：文獻(xiàn)2使用手機(jī)拍照、錄像功能，為學(xué)生展示物理現(xiàn)象，增強(qiáng)課堂的趣味性;文獻(xiàn)3使用手機(jī)作為光源或接收源，向?qū)W生展示光學(xué)現(xiàn)象;文獻(xiàn)4利用手機(jī)上物理實(shí)驗(yàn)室程序，開展虛擬仿真實(shí)

3、驗(yàn)，等。隨著智能手機(jī)的功能被不斷開發(fā)，智能手機(jī)輔助教學(xué)將逐漸成為一種流行的教學(xué)方式。本文利用智能手機(jī)中的傳感器技術(shù)，使用加速度與陀螺儀傳感器分別測量出加速度和角速度的大小，從而定量地得出向心加速度的大小公式。2   傳感器套件phyphox 軟件下載及功能簡介2.1  下載軟件打開智能手機(jī)“應(yīng)用市場”軟件或百度、谷歌瀏覽器，搜索關(guān)鍵字“傳感器”或“sensor”，選擇傳感器套件 phyphox 軟件下載并安裝。2.2  功能簡介打開phyphox軟件，該軟件為我們提供6大類29個(gè)分類實(shí)驗(yàn)，包括基礎(chǔ)傳感器（raw sensors）、聲學(xué)（acoustics）、日常生

4、活（everyday life）、機(jī)械類（mechanics）、計(jì)時(shí)（timers）、工具（tools）部分。在基礎(chǔ)傳感器當(dāng)中，軟件為我們提供了加速度數(shù)據(jù)的兩種表示方式，即有重力加速度與無重力加速度的情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇不同類型，以排除重力加速度對實(shí)驗(yàn)測量的影響，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，可利用分享功能保存到手機(jī)上或者傳輸?shù)诫娔X上，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，方法如圖2所示。陀螺儀功能，可以測量手機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度，absolute 值表示各方向角速度的矢量和，如圖3所示。陀螺儀的角速度數(shù)據(jù)，可以在高中物理圓周運(yùn)動相關(guān)實(shí)驗(yàn)中使用。利用phyphox軟件上述功能，可以為學(xué)生演示許多物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生展示生活中的

5、物理，使學(xué)生體會到物理學(xué)帶給生活的改變。3   手機(jī)傳感器在高中物理向心加速度教學(xué)中的應(yīng)用3.1   實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄孔鰟蛩賵A周運(yùn)動的物體加速度與角速度、半徑的關(guān)系。3.2   實(shí)驗(yàn)器材安裝phyphox軟件智能手機(jī)一部、電腦一臺、轉(zhuǎn)盤一個(gè)。3.3   實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)中，保持半徑r不變，通過測量加速度與角速度大小，確定與的定量關(guān)系;再改變半徑r大小，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定與r的定量關(guān)系。（1）打開手機(jī)，選擇phyphox軟件，點(diǎn)擊 centripetal acceleration功能，將手機(jī)固定在轉(zhuǎn)盤上;（2）測量此時(shí)手機(jī)固定點(diǎn)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離，并記錄數(shù)據(jù);（3）點(diǎn)

6、擊運(yùn)行后以不同轉(zhuǎn)速充分轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤，使手機(jī)記錄足夠的數(shù)據(jù);（4）停止轉(zhuǎn)動并關(guān)閉運(yùn)行，將實(shí)驗(yàn)曲線截圖保存，后續(xù)用電腦處理;（5）更換手機(jī)固定點(diǎn)，即改變半徑r再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn);（6）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.4   實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理（1）手機(jī)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離r1=0.2m，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤至自動停止后，得到數(shù)據(jù)如圖4左所示，縮短手機(jī)到轉(zhuǎn)盤圓心的距離r2=0.1m，得到數(shù)據(jù)如圖4右所示。（2）軟件自動為我們自動繪制2幅圖像，圖5所示為r2=0.1m時(shí)的2幅圖像，其中上圖表示角速度與向心加速度的關(guān)系，下圖表示角速度2與向心加速度的關(guān)系。（3）將實(shí)驗(yàn)的兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，繪制角速度2與向心加速度的圖像至同一圖像中，同

7、時(shí)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)添加趨勢線，并顯示公式，如圖6所示。3.5  實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論通過上述圖像，可以得出：當(dāng)半徑r相同時(shí)向心加速度與角速度2存在線性關(guān)系，即向心加速度正比于角速度2，即2。當(dāng)角速度相同時(shí)，半徑越大，物體運(yùn)動的向心加速度越大。圖像中斜率表示向心加速度與角速度2的比值，由圖像擬合的直線方程可得，當(dāng)手機(jī)以半徑r1=0.2m做圓周運(yùn)動時(shí)，比值為0.1941，當(dāng)手機(jī)以半徑r2=0.1m做圓周運(yùn)動時(shí)，比值為0.1076。測得的半徑大小與實(shí)際半徑大小的百分誤差分別為2.95%和7.06%，兩組數(shù)據(jù)均在實(shí)驗(yàn)誤差之內(nèi)，由此可以判斷，當(dāng)運(yùn)動角速度一定時(shí)，向心加速度與物體做圓周運(yùn)動的半徑r成正比，即

8、r。結(jié)合以上結(jié)論，可得加速度與角速度、半徑r之間的關(guān)系：=2r。4   結(jié)束語隨著科技的不斷發(fā)展，智能手機(jī)的功能也會越來越強(qiáng)大，在今后的教學(xué)中，科技產(chǎn)品輔助教學(xué)的可行性將會越來越高，虛擬現(xiàn)實(shí)（vr）等技術(shù)很有可能在今后的物理教學(xué)中扮演越來越重要的角色，教師要跟隨時(shí)代潮流，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，發(fā)揮智能手機(jī)的教育價(jià)值?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1毛明駿，陳增宇，黃宏銳，等.基于手機(jī)傳感器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)j.教育現(xiàn)代化，2019（20）.2張丹彤.讓智能手機(jī)成為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好幫手j.物理教師，2014（11）.3林春丹，葛運(yùn)通，成君寶，張晶晶，張萬松.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（9）.4孫少輝.智能手機(jī)在中學(xué)物理教學(xué)中的運(yùn)用j.物理之友，20