利用手机加速度传感器探究加速度与力、质量的关系

丁彦龙,马广平,付 静,曹 怡,姜俊江

(1.盐道街中学，四川 成都 610000；2.四川大学 锦江学院，四川 眉山 620800)

“普通高中物理课程标准(2017年版)”增加了“用手机传感器测加速度”的活动. 目的是让学生从手机加速度传感器测出的曲线直观地认识物体的运动，培养学生的动手操作能力和学生的团队合作精神. 本文介绍了手机加速度传感器的使用方法和小组实验探究过程，为教师的实际教学过程提供参考.

1 智能手机传感器

智能手机有多种传感器，可以检测光、声、磁场、力等各类非电信号，对周围环境的力、热、声、电磁等物理量进行从简单到复杂的测量，并转化成电信号，供实验者分析[1]. 软件工作界面如图1

所示，实验借助加速度传感器软件(Accelerometer)探测3个方向(x,y,z)的加速度随时间的变化，实验设置f=20 Hz，加速度的方向沿z方向，如图2所示.

图2 手机传感器x,y,z定位方式

2 利用手机加速度传感器开展实验探究

实验装置见图3，在气垫导轨的滑块上安装智能手机，细线一端在滑块上，另一端挂上钩码.

图3 探究加速度与力、质量关系的实验装置图

用天平测得滑块的质量为206.4 g，手机质量为144.6 g. 首先保持滑块和手机总质量不变，改变钩码的质量，使得合外力依次为0.25，0.50，0.75，1.00 N，探究加速度与力的关系. 打开气泵，打开加速度传感器(Accelerometer)，将Refresh rate调节到20 Hz,再点击Settings，将Remove Gravity开启点击，Start measuring记录开关，将手机由静止释放. 得到加速度随时间变化的图像如图4所示，导出数据如表1所示，并根据数据在Excel中画图如图5所示.

图4 加速度随时间变化图像图

F/Na/(m·s-2)123 a/(m·s-2)0.250.6430.6420.6620.6490.501.2761.3551.4161.3490.751.7201.8291.7841.7781.002.5462.6072.5672.57

图5 质量一定的情况下加速度与力的关系

滑块与小车沿y方向运动，所以图4中红颜色代表加速度的变化情况，通过图像可以看出加速度在0.55～0.60 s之间保持不变，说明滑块在做匀加速直线运动，通过图5绘出的a-F图像可以得出当质量一定时加速度与力成正比.

保持钩码质量m=0.25 kg不变，即保持F=0.25 N不变，在滑块上加重物改变滑块和手机的总质量，重复之前的操作，得到加速度随时间变化的图像如图6所示，导出数据如表2所示，并根据数据在Excel中画图如图7所示.

滑块与小车沿y方向运动，所以图6中红颜色代表加速度的变化情况，通过图像可以看出加速度在0.57～0.60 s之间保持不变，说明滑块在做匀加速直线运动，通过图7绘出的a-1/M图像可以得出当力一定时加速度与质量成反比.

图6 加速度随时间变化图像图

M/kg1M/kg-1a/(m·s-2)123a/(m·s-2)0.3512.8491.2761.3551.1941.2750.3712.6951.1971.1921.1171.1690.3912.5581.0381.0320.9961.0220.4412.2680.9010.9040.8800.895

图7 质量一定的情况下加速度与力的关系

3 结束语

智能手机的快速发展助推了教育技术的革新，正改变着广大教师教育教学的手段与思路. 用手机传感器探究加速度与力、质量的关系的实验，实验误差较小，图像清晰，可操作性强. 实验过程包括数据的采集与处理、图像的认识等，锻炼了学生分析问题、提取数据的能力. 除了智能手机传感器外，实验还有很多应用APP如根据拍摄物体运动视频，分析物体位置、速度、加速度的软件Video Physics、智能手机物理虚拟实验室、手机制作微课的APP“微课宝”、Course maker等. 随着5G技术的实现，智能手机在教学中的应用将会更加广泛.