浅析物理教学中一物多用之手机篇

2019-03-05江苏省高邮市第一中学225600

中小学实验与装备 2019年1期

江苏省高邮市第一中学(225600) 于淼

1 引言

随着科学技术的飞速发展、经济发展的水平不断提高、“互联网+”的到来，越来越多的教师将高科技运用于教学中来，借助于多媒体、电子白板等现代化设备使教师的教学更加高效、便捷和有趣。与人们生活紧密联系的智能手机，也越来越得到教师的关注，利用智能手机结合相关软件可以研究一些有趣的物理实验，并能很好地为教学服务。本文利用软件Physics Toolbox Suite(物理工具箱套件)，并结合教学实际，研究了7个有趣的高中物理实验，仅供参考。

2 软件Physics Toolbox Suite

Physics Toolbox Suite(物理工具箱套件)具有很多功能，可以测量力(G-Force Meter)、加速度(Linear Accelerometer)、磁感应强度(Magnetometer)、温度(Thermometer)等16个物理量，该软件非常强大，可以做很多有趣的物理实验。

例如测量力时，该软件可测得手机沿着x、y、z轴3个方向上力的实时变化(3个轴的方向是确定的，与手机如何摆放无关)，并可以用图像表现出来。

3 利用该软件研究的实验

3.1 研究单摆

(1)实验器材

智能手机、2根约2 m长的细绳、手机袋。

(2)实验过程

图1 研究单摆的实验装备

图2 单摆振动图像

表1 实验数据1

单摆长时间振动其振幅是越来越小的(空气阻力作用)，在短时间内单摆的振幅几乎不变，可以近似认为是等幅振动，相邻峰值之间的时间间隔相同，且单摆做阻尼振动的周期不变。

3.2 研究弹簧振子

(1)实验器材

智能手机、弹簧、支架。

(2)实验过程

如图3所示，将手机固定在弹簧下再挂在支架上，打开软件选择G-Force Meter(选择显示x轴，x轴的正方向竖直向上，当手机处于平衡位置时读数是1，屏幕显示是横屏)，将手机向下拉一小段距离，松手后手机就会像弹簧振子上下振动，经过一段时间后(约100 s)，可以得到图4所示的图像。为了形成对比，这里一共做了3组实验(实验中通过测量10个周期的时间来计算1个周期)，选择材质相同但长度不同的弹簧a和b(劲度系数不同)以及材质不同的弹簧c进行实验，实验数据见表2。

图3 研究弹簧振子的实验装置

图4 弹簧振子振动图像

表2 实验数据2

(3)实验结论

弹簧振子长时间振动其振幅越来越小(受到空气阻力)，在短时间内弹簧振子的振幅几乎不变，可以近似认为是等幅振动，相邻峰值之间的时间间隔相同，且弹簧振子做阻尼振动的周期不变。

3.3 研究人下蹲和站立过程的超重和失重

(1)实验器材

智能手机。

(2)实验过程

打开软件选择Linear Accelerometer(选择显示z轴，z轴正方向为竖直向上，屏幕显示是横屏)，实验者平举着手机下蹲及站立就可得到图像(手机和人一起沿竖直方向运动，要保证手机和人同时运动且同时静止)。如图5所示，第一个和第三个波形是下蹲过程得到的图像，第二个和第四个波形是站立过程得到的图像。

图5 人下蹲和站立过程中的超重和失重运动图像

(3)实验结论

从第一个和第三个下蹲过程得到的波形图可以看出前一部分示数小于0，即加速度是向下的，此时支持力小于重力处于失重状态；后一部分示数大于0，即加速度是向上的，此时支持力大于重力处于超重状态。从第二个和第四个站立过程得到的波形图可以看出前一部分示数大于0，即加速度是向上的，此时支持力大于重力处于超重状态；后一部分示数小于0，即加速度是向下的，此时支持力小于重力处于失重状态。

3.4 研究电梯的超重和失重

(1)实验器材

智能手机、电梯。

(2)实验过程

将手机平放在电梯地板上，打开软件选择G-Force Meter(选择显示z轴，屏幕显示是横屏)，让电梯从7楼降到1楼，接着从1楼升到7楼，可得到图6所示图像。

图6 电梯上升及下降过程中的超重和失重运动图像

(3)实验结论

电梯从7楼降到1楼，从图6中前两个图形可以看出，电梯先向下加速(视重小于实重，处于失重状态)、接着匀速、最后减速(视重大于实重，处于超重状态)。从1楼升到7楼，从图6中后两个图形可以看出，电梯先向上加速(视重大于实重，处于超重状态)、接着匀速、最后减速(视重小于实重，处于失重状态)。实验数据见表3。

表3 实验数据3

3.5 研究螺线管产生的磁场

(1)实验器材

智能手机、干电池2节、电流表、滑动变阻器、涂油绝缘层的铜导线、开关。

(2)实验过程

如图7所示，将铜导线绕制成3组30匝的线圈(线圈直径稍大于手机宽度，保证手机能穿过线圈)，用导线将铜导线、电池、电流表、滑动变阻器和开关联成一个闭合回路。打开软件选择Magnetometer(选择显示y轴，屏幕显示是横屏)，将手机水平放置，调节手机摆向使此时的磁感应强度的读数为0。

图7 研究通电螺线管磁感应强度的实验装置

研究磁感应强度与线圈匝数的关系：调节滑动变阻器分别得到一个较小的电流和一个较大的电流，先将3组线圈套在手机上，然后依次减少匝数，测得的磁感应强度如图8所示(a是大电流，b是小电流)，实验数据见表4，并将表4中的数据绘制成图9所示图像(近似成线性关系)。研究磁感应强度与电流强度的关系：调节滑动变阻器得到30匝线圈通过不同电流时的磁感应强度，测得的磁感应强度如图10所示，实验数据见表5，并将表5中的数据绘制成图11所示图像(近似成线性关系)。

(a)较大电流情况下

(b)较小电流情况下图8 研究磁感应强度与线圈匝数的关系图像

表4 实验数据4

图9 B-N图像

表5 实验数据5

图10 研究磁感应强度与电流强度的关系的图像

图11 B-I图像

(3)实验结论

通电螺线管内部的磁场可以近似看成匀强磁场，在保持其他条件不变的情况下，实验分别研究了磁感应强度与线圈匝数、电流的关系。研究磁感应强度与匝数的关系可以得到：磁感应强度与线圈的匝数近似成正比关系，即其他条件不变的情况下，B与N成正比。研究磁感应强度与电流的关系可以得到：磁感应强度与电流近似成正比关系，即其他条件不变的情况下，B与I成正比。

3.6 研究条形磁铁的磁场

(1)实验器材

智能手机、条形磁铁。

(2)实验过程

如图12所示，打开软件选择Magnetometer(选择显示y轴，屏幕显示是横屏，将手机放置到水平桌面上，改变手机的摆向使读数为0)，将磁铁从手机的上方慢慢的移到手机下方，再将磁铁由手机下方移动到手机上方。为了对比做了2次实验，得到图13所示图像。

图12 研究条形磁铁磁场实验装置

图13 条形磁铁磁场强度图像

(3)实验结论

可以发现磁感应强度读数先变小再变大，再变小后又变大。说明条形磁铁两极的磁场最强，中间的磁场最弱。

3.7 研究通电直导线的磁场

(1)实验器材

智能手机、2节干电池、滑动变阻器、开关、导线和多匝直导线。

(2)实验过程

如图14所示，将2节干电池、滑动变阻器、开关、导线和直导线连成一个闭合回路，打开软件选择Magnetometer(选择显示y轴，屏幕显示是横屏，将手机放置到水平木块上并靠近直导线，改变手机的摆向，使读数为0)。适当选择滑动变阻器接入电路的阻值，闭合开关可以看到磁感应强度的读数发生变化，改变电流大小读数会发生改变；电流越大读数变化越大，可得到图15所示图像，实验数据见表6，将表6中的数据绘制成图16所示图像(近似成线性关系)。