用智能手机中的光传感器做单摆实验

纪煦 程敏熙 时雯 丁江铃

摘 要：将智能手机中的光传感器应用于单摆实验中，用Sensor Kinetics软件记录光源做单摆运动时光强随时间变化的图像，测得单摆振动的周期，可计算出当地的重力加速度。得出的重力加速度测量值与当地的重力加速度参考值相对误差极小，说明该实验方法确实可行，是一种趣味性实验的新方法。

关键词：单摆实验；智能手机；光传感器；Sensor Kinetics

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0054-2

随着智能手机的广泛普及，利用其内置各种传感器可以完成许多有意思的物理实验，甚至设计新的物理实验[1-3]。这不仅降低了许多实验的仪器成本，还增加了实验的趣味性和可操作性，有利于学生实践能力的培养[4]。以下是用智能手机中的光传感器做单摆测量重力加速度实验的例子。

1 实验原理及方法

单摆振幅很小时（小于5°），单摆周期T与摆长L（从悬点到小球质点的距离）和重力加速度g三者有如下关系：

本文通过测量L，并利用智能手机Sensor Kinetics软件中的光传感器记录发光摆球做单摆振动时光强随时间变化的图像，得到单摆的振动周期T，从而计算出当地的重力加速度g及相应的误差，且与查表得到的g的真实值进行比较，以验证此实验方案的可行性。

2 实验装置及步骤

2.1 实验装置

实验器材主要包括LED灯、纽扣电池、单摆装置、带有角度标注的纸板、装有Sensor Kinetics软件的智能手机、米尺、游标卡尺、热熔胶等。

实验装置见图1。将纽扣电池和LED等安装在摆球底端的中心，制成发光摆球。将带有角度标注的纸板固定在紧贴单摆装置的平面上（以保证单摆振动时的摆角小于5°，振动保持在同一平面），将装有Sensor Kinetics软件的安卓手机固定在桌面上，使手机上的光传感器位于发光摆球的正下方。

2.2 实验步骤

（1）利用米尺和游标卡尺，测量摆长。

（2）组装实验装置如图1所示。

（3）使发光摆球做摆角小于5°的振动，并按下手机上Sensor Kinetics软件中光传感器的开始键，测得摆球最低点光强随时间的变化图像。

（4）选取部分图像，取其中的10个峰值对应的时间T，并记录在表格中。

（5）处理实验数据，计算出g的测量值，进行误差分析。

（6）查表得到g的真实值，与g的测量值进行比较，得出结论。

3 数据处理

经多次重复测量，摆长的测量值为：

L=46.57 cm（2）

利用光传感器得到的摆球最低点光强随时间的变化图像如图2。放大智能手机屏幕，可得到每个峰值所对应的时间，记录其中10个峰值对应的时间t，得到表1。利用逐差法，计算得到周期T：

查表得到，广州市当地重力加速度的真实值为g=978.3 cm/s2。经计算，本次实验测量值的偏差仅为0.031%。由此可见，用智能手机的光传感器来做单摆实验是完全可行的。

4 总 结

利用单摆测量重力加速度的实验关键在于对单摆振动周期的准确测量。本实验结果表明利用智能手机可以测量单摆的振动周期，测量结果准确，同时又兼具趣味性与创新性。这为物理实验研究提供了新的思路和方法，值得推广。

参考文献：

[1]林春丹，葛运通，成君宝，等.巧用智能手机做偏振光实验和超重失重实验[J].物理实验，2017，37（9）：16-19.

[2]张洪明，刘坤.利用智能手机做物理实验[J].物理教学，2016，38（3）：30-32.

[3]李锡均，程敏熙，江敏丽.数字传感器新载体——智能手機在物理实验中的应用综述[J].大学物理，2018，37（2）：53-59，63.

[4]陈显盈，徐东琴.丰富多彩的“单摆实验”——单摆装置在高中物理实验中的开发与应用[J].物理教学，2015，37（10）：28-32.

[5]罗慧，杨小芳.利用多媒体技术判断单摆做简谐运动[J].物理教学探讨，2018，36（1）：54-55.

[6]刘婷，彭朝阳.应用视频分析软件测单摆周期和重力加速度[J].物理教学探讨，2016，34（4）：56-57.

（栏目编辑 王柏庐）