智能手机传感器在中学物理实验中的应用综述*

2019-04-16程敏熙李锡均

物理通报 2019年4期

饶迪程敏熙李锡均

(华南师范大学物理与电信工程学院广东广州 510006)

传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称.利用传感器进行实验不仅采集数据方便、快捷，且实验结果精确，我国甚至把传感器列为“十五”计划重点科技研究发展项目之一[1].

无论是德国的莱宝系统、美国的PASCO系统，还是国内的DISLab都是由传感器、数据采集器和计算机组成.一套较好的DIS实验操作系统都要上万元，较高的价格成为制约其被广泛应用的主要因素.当前，我国只有部分大专院校或中学配备有DIS实验器材[2].

值得注意的是，随着现代生活水平的不断提高，智能手机逐渐成为人们日常生活中的必须品，而现代智能手机内置了压力传感器、GPS传感器、声传感器、磁感应传感器等十多种传感器.同时，各种手机传感器App也不断被开发，无论是基于苹果手机的Phyphox,BaroAlt,Altimeter等，还是基于安卓手机的physics toolbox，ToneGenerator等，都给物理实验带来了许多新的设计思路.各种实验操作不仅简单易行，而且实验结果精确，提高了实验的趣味性.

1 智能手机传感器实验的发展历程

1.1 萌芽期(2005-2012年)

文献[3]2005年报道最早通过智能手机来验证一些物理现象：声音是由物体振动产生的；声音的传播需要介质；电磁波能在真空中传播；静电屏蔽[3].时隔4年，文献[4]2009年报道，在前者的基础上更进一步地多做了几种演示实验：无线电波传播速度大于声波传播速度、共振现象、电流的热效应、惯性现象[4].文献[5]报道了利用手机屏幕探测遥控器发出的红外线[5].

此后，文献[6]的作者将“移动学习”引入课堂，他开创性地利用光传感器演示光线明亮程度与屏幕是否黑屏的关系[6].文献[7]的作者则更多方面地利用手机传感器来辅助教学，包括：利用方向传感器判断实验台是否水平；利用磁感应传感器探究磁场的方向和强度；通过加速度传感器探究超重与失重现象；通过声传感器研究声音的频率；利用GPS传感器测量物体的运动速度以及估算地球半径[7].

国际方面，文献[8]报道了利用智能手机摄像头拍到的实验图像来辅助教学[8].文献[9]报道了通过手机屏幕发出的光进行偏振光实验[9].而文献[10]报道,将手机放入真空玻璃罩中，验证真空不能传声[10].

文献[11]和[12]在前面几位学者的基础上，利用智能手机设计了新实验：让自由落体状态的手机发出固定频率声波，同时在下方测定声波的频率变化曲线，再结合相关理论测出重力加速度g[11].

2012年，文献[11]和[12]的作者在美国物理教师协会(AAPT)旗下的《The Physics Teacher》杂志上创设了“IPhysicsLab”专栏并担任编辑.此专栏面向广大教师征集将智能设备运用到物理实验教学中的想法，并每月推出一篇相关文章[12].我国的期刊并未开设相应专栏.

在这一阶段，智能手机作为一种新的实验工具走入了国内外物理课堂，相关研究较少，且大多是定性的小型演示实验.

1.2 发展期(2012年至今)

2012年，Vogt和Kuhn利用智能手机加速度传感器分别对自由落体、单摆和弹簧摆进行研究，并发表了3篇开创性文章[13～15].这3篇文章里的实验思路先后被国内外诸多研究所借鉴，同时也拉开了智能手机物理实验从定性研究向定量研究发展的序幕.

自2013年起，除《The Physics Teacher》之外，在英国皇家物理学会文献库(IOP)收录的《Physics Education》以及《European Journal of Physics》等杂志上也开始陆续发表智能手机传感器实验的文章.

近年来，为提高青稞单位面积产量，把科学施肥、测土配方、机耕机播、病虫草害防治、种子精选、种子包衣和土壤处理作为重点措施进行推广。2016年，林芝市农牧技术推广中心开展下乡科技服务80余人次，开展科技培训1万多人次。以上科学技术的推广应用，对于稳定粮食生产、保障有效供给、全面建成小康社会和保持农牧民持续稳定增收具有重要作用，为确保林芝市青稞安全、有效供给做出了应有贡献。

截止到2018年4月，本文搜索到的智能手机传感器实验相关研究文章100余篇，世界各国的教育工作者纷纷参与到这项研究之中，不难想象，智能手机传感器实验在将来会有更加长足的发展.

2 智能手机传感器实验的分类介绍

智能手机传感器在中学物理实验中的研究成果已涵盖了力学、电磁学、声学以及拓展实验等多个领域.本文根据所查阅的相关文献，对上述4个分类进行整理.

2.1 力学实验

重力加速度g是一个非常重要的物理量.Vogt(2012)让智能手机从高度h开始做自由落体运动,如图1所示[13]，同时用手机加速度传感器记录手机下落的时间t，再根据运动公式

(1)

求出重力加速度g.

图1 手机做自由落体运动

如图2所示,对于单摆运动[14]，Vogt(2012)利用手机加速度传感器记录加速度和时间的关系图，再通过峰值间的间隔得出单摆周期T，最后依据单摆周期公式

(2)

在已知摆长l的情况下求得重力加速度g.

图2 手机做单摆运动

此外，还可以将手机静止放置，通过放置信号源测出重力加速度值.文献[16]报道，用小磁铁代替手机运动，利用手机磁感应传感器进行实验[16].文献[17]指出，用小铁球当摆球，将手机放置在铁球的正下方，使摆球能贴着手机摆过，利用磁感应传感器App测得周期，算出重力加速度g[17].

对于向心加速度，文献[18]报道，将手机固定在木板上，让马达带动木板转动，如图3所示，再将运动半径r和周期T代入公式

(3)

求出向心加速度的值，与手机显示的值相比较，结果较准确[18].

图3 马达带动手机运动

文献[19]报道，在转动圆盘上某一固定位置放置手机，通过改变转速来验证向心加速度与角速度之间的关系[19].文献[20]指出，在同一个转动圆盘的不同位置上放置多个手机,如图4所示，此时所有手机的角速度相同，可以验证向心加速度与运动半径的关系[20].

图4 同一圆盘上不同手机的转动

文献[21]报道，发现一款App“AccelVisu”可以即时显示加速度的方向和大小.将智能手机挂在钟摆上运动，可以显示加速度的方向指向圆心，如图5所示；将智能手机放在水平导轨上运动，如图6所示，可以帮助学生更直观地观测到速度方向与加速度方向之间的关系[21].

图5 手机做圆周运动实验

图6 手机在水平导轨上运动

牛顿第二定律是国内外中学物理的重要知识点，文献[22]报道，将智能手机带进娱乐场的“跳楼机”上,如图7所示，将App测得的数据代入牛顿第二定律，计算出跳楼机对身体的作用力[22].

图7 “跳楼机”

文献[23]报道，把智能手机绑在滑块上，使滑块从斜面上滑下，如图8所示.利用手机的加速度传感器App记录下滑时的加速度a，再根据关系式

a=gcosθ(tanθ-μk)

(4)

在已知当地重力加速度g及斜面倾角θ的情况下求出滑动摩擦系数μk[23].

图8 测量斜面摩擦系数实验

文献[24]指出，利用加速度传感器App上显示的图像给学生演示动量定理[24].文献[25]报道，将两个手机分别固定在两个小车上，每辆小车前段固定一个环形弹片,如图9所示，用小车碰撞前后的速度值验证动量守恒[25].

图9 动量守恒实验

2.2 电磁学实验

磁现象是物理学重要的研究对象，但数字化实验室价位较高，难以在中学物理课堂广泛应用，手机磁感应传感器则给一些定性的小实验带来许多便捷.除了探究通电环型线圈周围的磁场[7]，文献[26]和[27]的作者先后探究了条形磁铁、通电直导线、指南针周围的磁场方向及大小，让智能手机更丰富地助力课堂教学[26，27].

为了测磁感应传感器的位置，文献[28]的作者将小磁铁紧贴手机屏幕(以iPhone5为例)移动，找到磁感应强度最大的位置，那么这个位置就是磁感应传感器所在方位,如图10所示.他将一块小磁铁放在画直角坐标系的白纸上，如图11所示，利用手机磁感应传感器测定了距离x与磁感应强度B成反比的关系，并绘制出B-x空间分布曲线[28].

图10 磁感应传感器的位置

图11 测空间磁感应强度

2.3 声学实验

在“声音特性”的一些演示实验中，需要用到示波器来观察波形图，但并非所有中学都配备示波器，针对这一问题，文献[29]和[30]的作者利用智能手机声传感器演示教材中的实验，还对生活中的一些声现象(酒瓶、音叉、乐器的发声)进行分析[29,30].

利用智能手机声传感器来做声学实验还可以克服主观性太强的问题.例如多普勒效应，文献[31]中提出可以利用声传感器来探究多普勒现象[31]，而文献[32]的作者则将其运用到教学中，他根据观察者或者波源的相对运动进行了更细致的定量测量，且实验效果明显[32].

2.4 拓展实验

硬件方面，文献[33]的作者较早提出利用安卓手机传感器和外扩传感器，共同构建物理工具箱，扩大实验类型，使学生操作更具有真实感[33].文献[34]报道将手机与力传感器相连，再利用传感器App“SPARKvue”研究小球做圆周运动时对绳子的张力[34].文献[35]报道将智能手机外接温度传感器测定温度,如图12所示，填补了手机传感器在中学热学实验中的应用这一空白[35].

针对课后实验，一些学者也提出了自己的看法.人教版物理教材八年级上册有关于“怎样才能更加准确地测量硬币的直径”的交流活动，文献[36]的作者利用手机App“ON直径测量”进行实验，结果也较精确[36].又如，物理教材八年级上册介绍了水瓶琴实验，文献[37]中用手机软件进行证实，发现教材中给出的参考方案不够科学，无法实现[37].