用智能手机软件Phyphox探究电梯竖直运动规律

李玉峰 王静

摘要：电梯是日常生活中的乘用工具.本研究利用智能手机应用软件Phyphox对电梯直线运动的运动规律描述进行创新性实验设计，加深学生对位移、瞬时速度概念的理解，提高数据分析能力，增强学生学习物理的兴趣，有效进物理学科核心素养的提高.

关键词：智能手机，Phyphox，电梯竖直运动，位移，瞬时速度

作者简介：李玉峰（1977-），山东聊城人，教育学博士，副教授，研究方向：科学教育研究；

王靜（1996-），女，山东聊城人，研究生，研究方向：物理学科教学.

1引言

随着新一轮高中课程改革的推进，培养学生的物理学科核心素养，成为高中物理课程的培养目标.物理学科由必考科目变成了选考科目，如何增强物理学科的吸引力，增加物理学科的选修率，成为物理教师必须思考的问题.

本文遵循《普通高中物理课程标准》（2017版）[1]中“注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求”“引导学生自主学习，倡导教学方式的多样化”的课程理念，选择高层住宅出现后的乘用工具电梯的运动作为研究对象，采用集各种传感器于一体的常用通讯工具智能手机作为移动的物理实验室，设计实验工作单，让学生利用软件Phyphox自主探究电梯的运动规律[2].

2电梯运动规律前概念调查

作为常见的常用工具电梯，学生非常熟悉，知道电梯的运动经历从静止到运动再到静止的运动过程；通过物理课程的学习，了解到位移、瞬时速度是精确描述物体运动规律的重要物理量.而对于电梯运动的精确描述则是非常的困难.

3研究工具介绍

31物质基础-智能手机

智能手机集合了众多的传感器于一体，比如加速度传感器、近距离传感器、磁传感器、大气压强传感器、照度传感器等；再加上可以根据用户需要安装的应用软件APP，就构成了一个移动的物理实验室，为众多物理实验的创新设计打下了基础.

32应用软件- Phyphox

Phyphox是由德国亚琛工业大学第二物理研究所（RWTH Aachen University）开发的一款免费手机APP.主要特征如下：

321利用内置传感器进行实验

Phyphox允许实验者运用智能手机的内置智能传感器进行相关的实验，比如：应用加速度传感器测量摆的频率，利用扬声器进行多普勒效应测量等.

322实现局域网内远程控制智能手机

Phyphox可以在同一个网络内实现借由其他设备的网络浏览器实现对智能手机设备的控制.

323采用常见格式输出实验数据

利用该软件可以实现实验数据采用常见的格式输出，实验者可以采用自己的软件进行分析；或者采用手机上的APP进行数据分享和存储.

324创设自己的实验文件夹

采用Phyphox可以在wiki中创设自己的实验文件夹给予大家分享.

4实验原理

要研究电梯的运动需要准确地描述其位移、瞬时速度随时间变化的规律.

41位移变化的间接测量

在本研究中主要利用在重力场中大气压强随时间变化的规律实现位移的间接测量.

在重力场中等温状态下，大气压强随高度变化的规律为

P=poexp（-μgRTh）（1）

其中，p 为高度h处的气压，R 为气体普适常数，T为大气温度，μ为空气的摩尔质量，g为重力加速度.

当两点间海拔高度变化不大时，可得到

Δp=-ρgΔh（2）

其中，ρ为空气密度，即高度差不大时，可认为空气是均匀的.

Δh=（-1ρgΔP）（3）

42瞬时速度的测量

在高中阶段的速度定义如下：如果在时间Δt内物体的位移为Δx，它的速度就可以表示为

v=ΔxΔt（4）

Δt非常小接近0时，我们把ΔxΔt称为物体在t时刻的瞬时速度.在实际的瞬时速度测量中，Δt越小，ΔxΔt越接近于瞬时速度.

在很短的时间内把电梯的运动看成匀变速直线运动，利用“在匀变速运动中中间时刻的瞬时速度等于这一段时间内的平均速度”这一结论进行近似计算.

v=vt2

基于这一原理，数据处理得

Δh=h2-h1

Δt=t2-t1

vt2+t12=ΔhΔt=h2-h1t2-t1（5）

可以完成瞬时速度的计算.

5创新实验设计

51阅读材料，熟悉Phyphox使用方法

给学生有关大气压强与高度关系的材料，让学生通过自主学习，了解利用大气压力传感器测量高度的原理、瞬时速度的测量原理.

52安装Phyphox，熟悉软件功能、使用方法

在手机的应用市场里下载手机传感器套装软件Phyphox，安装后熟悉功能及使用界面.

如图1-图4所示，以华为mate9 为例，Phyphox列出了手机中的传感器，比如：加速度（不包含g）、加速度g、陀螺仪、光照度传感器、位置传感器（GPS）、磁场强度传感器、压强传感器等.此外，手机还可以把实验者的数据进行存储，如图1所示，5月23日进行测电梯运动实验.支持系列声学实验，比如包括：测量声音的幅度、测量声音的频率、声音的范围、声音频谱、多普勒效应、频率历史、回声测距、声音信号发生器；支持的日常实验等，如测量电梯的速度；支持的力学实验，如弹性碰撞、圆周运动、摆、转动、弹簧振子等；支持利用手机的内在传感器设计实验.此外，该软件还具有计时器，加速度频谱、角度测量、磁力频谱、磁力测距等功能.

53利用Phyphox采集电梯竖直运动的数据