浅谈智能手机在高中物理实验教学中的应用①——以Phyphox软件为例

(南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210023)

1 引言

“以教育信息化带动教育现代化”是《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》中明确提出的要求，智能手机在物理教学中的应用正是具体体现了这一要求。随着智能手机的日益普及与发展，其强大的功能已越来越被人们所熟悉，它不仅方便了大众的交流与沟通，也是物理教师一个可随身携带的物理实验平台。智能手机集成了多种传感器，如加速度传感器、重力传感器、光传感器、压力传感器和磁传感器等，结合APP软件，可以测量压强、磁场、加速度等，智能手机的一系列传感器功能，为物理实验教学提供了极大的便利。本文以Phyphox软件为例，展示具体案例，将智能手机传感器与物理实验教学有机结合，展现智能手机引入高中物理实验教学的优势与魅力。

2 Phyphox软件介绍

Phyphox是德国亚琛工业大学第二物理研究所基于传感器设计开发的物理实验手机软件，Phyphox软件可实现29种内置功能，可用于光学、声学、力学、磁场等实验。首先Phyphox可以通过访问手机内置的传感器，如加速度传感器、光传感器、磁传感器以及压力传感器等，直接测量相关数据。同时，Phyphox软件还提供了特定的实验套件，可以研究、分析一些基本运动，如滚动、弹性碰撞、圆周运动、弹簧振动等。此外，还提供了一些实用工具，如秒表、音频发生器、角度测量仪等，可供使用者在物理实验中使用。在使用过程中，Phyphox软件会以数字或图像的形式显示测量结果，并可以导出原始数据，方便使用者对结果进行进一步分析、处理。

3 案例分析

本文将介绍基于Phyphox软件开展的三个力学实验，分别为验证性实验、探究性实验和测量性实验，帮助学生从实验中清晰地认识相关物理现象，培养学生的科学探究能力，形成科学认知以及对物理学习的兴趣，显现智能手机传感器在物理实验教学中的优势与特色。

3.1 验证性实验：超重与失重

加速度是高中物理中最重要的概念之一，同时也是学生较难理解的概念，教材中有关加速度的相关实验比较陈旧，难以激发学生的兴趣，学生对加速度的理解也往往停留于表面。而“超重与失重”是学生尝试用牛顿运动定律解决问题时碰到的物理现象，可以利用Phyphox中的加速度传感器功能验证超重与失重过程中加速度的特点，进而加深对加速度概念以及超重与失重现象的理解。

3.1.1 下蹲、起立中的超重与失重

打开Phyphox中的Acceleration(without g)，会发现它可以同时测量x、y、z三个方向的加速度，并可以用图像显示大小变化。我们只需要研究竖直方向(z方向)，所以只要学生拿着手机，先下蹲，过一小段时间再起立，重复此过程，便可得到如图1所示的曲线。在实验过程中，我们需要将手机屏幕朝上，保持水平和稳定，且下蹲与起立过程不宜太快。

图1

从图1中可以看到下蹲过程中(用下划线标注部分)加速度先为正后为负(定义竖直向下为正方向)，即加速度方向先向下后向上；同理，起立过程中(未画线部分)加速度方向先向上后向下。学生根据牛顿第二定律的相关知识，进行分析可以得出结论：下蹲过程中，先失重后超重，而起立过程中，先超重后失重。

3.1.2 电梯中的超重与失重

让一名同学站立在电梯中，采用同样的方法，便可以记录电梯在上升和下降过程中的加速度变化情况。

图2

如图2所示，电梯在上升过程中先超重后失重。

图3

如图3所示，电梯在下降过程中，先失重后超重。同时我们还可以看出，我们乘坐电梯的加速度大小最大值在0.5m/s2左右。教师还可以引导学生通过课后查阅资料，了解国标下电梯的运行参数，检验电梯运行是否正常。

这两个实验，既强化了学生对加速度矢量性的理解，也可以通过亲身体验，清晰地看到在下蹲、起立过程以及电梯运行过程中加速度的变化情况，加深了对加速度概念的理解，结合牛顿第二定律，帮助学生理解超重、失重时的加速度变化特点。这种新颖的实验教学方式，可以帮助突破知识难点，提升学生的兴趣与探究能力。

3.2 探究性实验：弹球运动

弹球落地反弹的运动是高中物理实验探究的热点问题，比如“球落地反弹的高度是否为原来的一半”的问题、球落地反弹过程中的能量变化问题等。借助Phyphpx中的“(In)elastic collision”，即(非)弹性碰撞功能，就可以方便快捷地记录下弹球落地反弹的每一次的高度、时间间隔以及能量变化情况，并在此基础上引导学生进行分析，帮助学生对弹球落地反弹的相关物理概念与知识形成清晰的印象。

3.2.1 弹球运动的高度变化

图4

打开“(In)elastic collision”，将一个乒乓球从一定高度落下，手机麦克风会接收并记录两次掉落地面的时间间隔，并自动计算出乒乓球最初的释放高度以及每次反弹高度。实验过程中，要保证实验环境的安静，否则会影响时间间隔的记录。乒乓球的高度、撞击次数与时间间隔数据如图4所示，由图4中数据可以看出，乒乓球每一次反弹的高度显然不是原来的一半。

同时，教师可以根据得到的数据，编制习题，如已知反弹高度h和两次撞击的时间间隔Δt，要求学生计算出自由落体加速度，培养学生的科学思维与分析能力。利用五次撞击的数据，例如，第一次和第二次撞击的时间间隔是0.333s，反弹高度是13.59cm，计算得自由落体加速度g=9.80m/s2。

3.2.2 乒乓球运动过程中的能量变化

由图5可以看出，乒乓球每次撞击都会有一定的能量损失，平均每次保留的能量大约是原来的85.6%。这里可以结合人教版高中物理必修2第七章的“机械能守恒定律”来进行相关的分析与讲解，引导学生观察数据，分析乒乓球落地反弹过程中的能量变化情况。首先，在下落过程中，重力势能转化为动能，小球撞击地面形变恢复过程中，弹性势能转化为动能，上升过程中，动能转化为重力势能；其次，乒乓球弹起的高度越来越低，说明了乒乓球在运动过程中，机械能越来越小。经过亲自动手实验，提升学生的学习兴趣，同时也强化了能量转换的相关认识。

图5

学生还可以进行课后实验拓展，利用不同材质的弹球进行实验对比，例如玩具弹球、金属小钢球等，观察不同弹球同一起始高度、相同弹球不同起始高度在撞击桌面后反弹的高度以及能量变化的情况，提升学生物理学习的兴趣，培养学生的动手能力、科学探究能力。

3.3 测量性实验：测定自由落体加速度

图6

实验方案如下：如图6所示，在气球下吊一弹球，用针戳破气球，气球爆炸的那一瞬间即可为弹球开始下落的时间。在实验过程中要尽量减小回声的影响，同时要设置Threshold(声音触发阈值)使其高于环境噪声级。实验数据如表1所示，弹球的下落高度h=1.1m，最后计算可得自由落体加速度的平均值为g=9.68m/s2，南京当地的自由落体加速度值为9.795m/s2，测量的相对误差为1.17%。

表1

4 结语

智能手机传感器软件的出现与发展，突破了传统物理实验的限制，学生拥有一部智能手机，就相当于拥有了一套便携的数字化实验系统，可以随时随地进行物理实验探究，给学生提供了更大的自主学习空间，学生可以根据自己的爱好，积极思考，勇于实验，开拓思维空间，促进创新能力、思考能力、动手能力等的发展。我们要关注智能手机等信息技术产品对学习内容和学习环境的影响，充分利用、开发它们的功能，以服务于物理教学，只有这样才能使其成为学生发展的助推器，真正在物理教学中发挥作用，达成培养学生核心素养的目标。