利用智能手机探究体育运动中的物理规律

谢丹荔　韩鹏

【摘 要】生活中科学无处不在，我们时常可以接触到许多要用科学知识来解释的问题，善于发现这些问题，善于使用所学的知识去设计物理实验并解决问题，是培养科学素养，科学兴趣，巩固科学知识，锻炼动手能力创新能力的重要途径，以田径运动中的掷铅球为例，运用了手机传感器来收集数据并进行探究投掷旋转角与投掷距离的关系，比起传统的训练方法更具科学性，比起运动团队采用的高端仪器也更节约成本，并且这种分析手段比起复杂的模拟仿真更简洁明了，普通运动员也可以自己上手，因此运用这种方法找到两者的关系，并发现投掷距离与旋转角呈负相关。

【关键词】物理实验;科学素养;手机传感器;铅球;旋转角

中图分类号： G 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0109-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.051

0 引言

生活中各种现象的规律都可以通过观察实验发现。生活中的各种对象和现象都是处在复杂的联系之中，内里蕴含着各种因素，许多特性或者是被掩盖了起来，或者受到其他因素的干扰，这种情况给我们寻找真理和规律带来困难，而在科学实验中，人们则可以利用各种实验手段，对实验对象进行变革和控制，使其摆脱各种偶然因素的干扰，这样就能找到真相和规律[1]。而科学实验，是指有着一定的目的，运用仪器等手段，在人工调控下来进行观察。可以获得真理以及检验我们的假说[2]。

而随着时代发展，实验的手段也日新月异，本文的实验仪器就运用到时下热门的手机传感器。手机传感器是手机上通过芯片来感应的元器件。随着手机传感器的使用越发广泛，并且由于它高效便捷的优点，许多都利用手机传感器来进行数据记录[3]。尤其是对日常身体活动的监测，包括每日步数，心跳血压，受到人们的喜爱，将手机传感器与物理实验相结合，也是实验课堂的创新手段的一种[4]。

掷铅球是一项十分讲究技巧的田径运动，在本文实验者的训练过程中，发现该运动的一些规律，以手机传感器为实验仪器来设计实验，探究掷铅球时旋转角与投掷距离的关系[5]。

1 实验原理

田径场中铅球的投掷区是一个扇形，如图1所示。

俯瞰图如下，这是一个圆心角为四十度的扇形，按理说，如果是扇形则旋转角的大小不会影响到投掷距离，但是实际情况则不然。

设红点为实验者的投掷起点，扇形AB就是在不出界情况下能投掷的范围，由铅球预热动作可知，选手往往是在圆心附近起势，靠近圆边缘则球离手，所以可以推测若投掷起点在红点处，则此时身体是由圆心指向A方向的，可以看到，同样的投掷力度（水平方向初速度），落下的位置不同，成绩也不一样，当旋转角越小（越靠近A边）则距离越远，反之越近，这就是为什么旋转角对成绩有所影响。

2 实验准备

我们用到的实验器材包括一部苹果6s系统的智能手机（已下载好phyphox软件），一颗4公斤，直径10cm的铅球，卷尺;本文涉及的所有实验环节都将由三名实验者共同完成;本文选择的田径运动是掷铅球，统一让实验者选择上步侧向推，并记录他们的投掷角，即偏转角，偏转角是指实验者身体方向和铅球运动轨迹之间的夹角，如图1。由于投掷时由于每个人的习惯不同，要获得充足的数据就要求每个实验者分别记录40次到60次，然后选取不少于15组数据在计算机上处理，并进行比对，找出规律。

图中黑色线条为掷铅球场地，红点O为球离手的投掷点，AOB在一条直线上，且AB为投掷者的身体方向，OC为球实际的运动轨迹，角BOC则为旋转角。

3 实验过程

3.1 验证旋转角与投掷距离的定性关系

通过智能手机传感器记录下实验者多次投掷铅球的旋转角数据，导入电脑中进行处理分析。探究投掷旋转角对投掷距离是否有影响。

首先是实验者一（身高163cm，体重50kg，平均成绩7.64m，最高成绩为8.56m）

比较实验者一的十五组实验数据，表一为实验者一的旋转角与投掷距离的数据。

将数据进行处理，作图得到。

通过作图发现铅球的投掷旋转角对投掷距离存在显著影响，投掷旋转角越大投掷距离则越短，并且实验者一的数据作图得到趋势线：y=-0.0412x+10.035，近似说明两者呈负相关。

同理，实验者二和实验者三都得到类似的结果。

对实验者二（身高175cm，体重77kg，平均成绩9.12m）进行实验。

数据处理可得图5。

对实验者二的数据作图也得到一条近似的反比例趋势线y=-0.0445x+11.946，而且通过比较实验者一和二可以看出，无论男女运动员，都可以得到类似的结果，也能证明投掷距离与旋转角呈负相关。

以及实验者三（身高159cm，体重45kg，平均成绩4.92m）

图6

由于实验者三是三位实验者中唯一一位业余选手，因此实验数据波动较大，但总体趋势依旧能看出旋转角对投掷距离有影响，并作出趋势线y=-0.0232x+6.5853，证明两者呈负相关。

由上三个实验者的十五组实验比较结果，可以看出旋转角的大小对投掷距离有着一定的影响，从图表中的趋势线可以旋转角越大，距离就越短。

3.2 探究旋转角与投掷距离的定量关系

通过测量记录下铅球场地数据并运用几何分析投掷角与投掷距离的关系，最终建立物理模型。

先用几何来证明：如图7。

设实验者的身体方向为AB，铅球运动方向为OC，假设实验者最佳成绩为l，那么OD=OE=l，旋转角为x，则实际测量成绩s满足s=■。

我们知道r，l皆为常数，因此可得到物理模型f（x）=■。

假设我们取r=1.0675m;l=8m，可做函数图像：

x取值小于0到？仔/2这个区间，可见在这个区间内，x越大，y越小，y取最大值的时候，x等于零，因此说明旋转角最小时，投掷距离最大，要求我们投掷铅球时，旋转角要尽可能小。

当然，投掷机会是有三次，很大程度上是可以避免各种犯规，因此尽可能地降低投掷旋转角，对提高成绩有好处，而且日常的高密度训练也是提高精准度的重要途径。

3.3 结论

通过实验我们不仅发现旋转角确实对投掷距离有影响，并且两者呈负相关，旋转角越大，投掷距离越短，因此运动员训练比赛的时候都要尽可能地避免旋转角，从而提高成绩，并坚持训练，使自身的发挥趋于稳定。

4 全文总结

本文运用智能手机APP来探究田径运动中的物理规律并提高训练效率和训练成绩，相比起教练运用经验进行培训来得更科学，或者团队运用高端仪器来进行训练来得更方便快捷，成本也更低，对于普通运动员相对更加可行。本文以铅球为例来进行实验设计来探究其中的规律，在实验中严格控制变量，找寻旋转角对投掷距离的影响并得出结论：旋转角越大，投掷距离越短。不同的个体存在一定的差异，但总体的趋势相似，因此可以当成一个普遍规律，本文自主设计实验，运用简单便捷的实验仪器，处理数据并分析，这在教学中，对科学素养，习惯的培养以及科学知识的巩固有着极大的意义，有利于提高学生动手能力和创造力并善于发现生活中的小科学。[i]

【参考文献】

[1]张忠文.合理设计实验方案有效进行科学探究[J].中学物理（初中版），2018，8：5-8.

[2]袁柏军.试谈科学实验在教学中的作用[J].中学课程辅导（教学研究），2018，29：273-273.

[3]何其荣，赵兴华.利用智能手机外接温度传感器测定温度 ——智能手机上的中学物理实验创新[J].中学物理（初中版），2017，6：47-48.

[4]黃卓勋，郭湘南.基于Android手机传感器在健身领域的运用[J].电子设计工程，2017，5：45-50.

[5]白光斌，郭玉麟，张大千.铅球运动员投掷最佳路径优化检测仿真[J].计算机仿真，2017，3：203-206.