基于Phyphox软件探究电梯中的超重和失重现象

卢顺兴

(广东省广州市执信中学 广东 广州 510006)

对物理教育实验而言，现代智能手机中日益丰富和完善的传感器是一种颇有前景和经济效益的工具[1]．结合软件开发，智能手机可以实现多种物理量的测量，为物理实验教学提供新颖的方法和途径．本文以Phyphox软件为例，有机结合电梯中的超重和失重实验现象，展示优化实验教学的创新方式．

1 传统实验的不足与Phyphox的特点

超重是指当物体的加速度向上时，物体对支撑物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象．失重是指当物体加速度向下时，物体对支撑物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象．本节的教学难点是通过实验认识到超重和失重现象的条件，学生常见的认知误区是超重和失重与运动方向有关．

常规教学中，为突破这一教学难点，教师们主要利用弹簧测力计与钩码或者体重计称体重．从简单的弹簧测力计配合钩码上下运动，到复杂的自制基于滑轮组的超重失重演示仪等[2，3]．这些方式的好处是现象简单明了，不足之处在于弹簧测力计(或体重计)的显示结果大多情况下是转瞬即逝的，另外自制演示仪的制作可能比较复杂，或者操作可能不是特别简便．还有的教师选择通过小组活动等形式在真实的电梯情境中进行超重和失重的实验，这个方式的好处是情景体验真实，不足之处是难以大规模展开，也难以在课堂上实施．除此之外，这些方式都不能测出加速度，更无法将超重失重现象与加速度数据实时地、直观地联系到一起，而这正是学生的认知难点．

因此，较新的研究着眼于通过手机传感器测出物体在不同运动阶段的加速度[4，5]．Phyphox正是一款这样的软件．这个软件由德国亚琛工业大学研制开发，一经面世便受到广泛关注和好评，不同于其他软件，除了有单独的传感器和实用工具，它还将不同的传感器进行模块化组合，方便研究者研究和分析滚动、单摆、超重和失重等多种基本运动[6]．已有的一些研究利用手机传感器虽然测出了加速度，得到了整个运动过程的加速度变化图像，但是未能解决现象与数据实时、同时生成和呈现的问题．

在上述多种研究成果的基础上，本文基于Phyphox软件，在电梯中进行称体重的实验，通过多角度录像和后期视频剪辑，将超重、失重现象与实时加速度数据同时呈现，以期能够提供一种形象生动的、新颖的、能广泛应用于课堂教学的实验方式．

2 实验设计及步骤

2.1 实验设计

实验环境及装置如图1所示．所用实验器材包括指针式体重计、安装Phyphox的智能手机、录像机．本次实验主要使用该软件的一个组合模块“电梯”，其运行界面如图2所示．该模块利用气压计传感器实时测量电梯所处的高度，基于所得的高度结合算法得到速度随时间变化的图像，而电梯加速度随时间变化的图像则是通过另一个传感器——加速度传感器得到的．

图1 实验环境和装置

图2 Phyphox运行界面

实验者站在电梯里的体重计上，当电梯上升或下降时，实验者对体重计压力的变化情况将通过录像机拍摄．与此同时手机传感器生成加速度随时间变化的图像，利用手机录屏功能可以记录下这一变化过程．

2.2 实验步骤

(1)实验者站到体重计上，将手机摆放到体重计上，调整录像机位置进行俯拍，保证可以清晰地拍摄体重计示数，如图3所示．

图3 录像机拍摄体重计示数画面

(2)打开手机的Phyphox软件，进入“电梯”模块界面．点击右上角的三角形按钮，传感器开始工作．

(3)待手机传感器示数稳定后，启动电梯上升．电梯楼层变化范围以3～6层为宜．

(4)电梯停稳后，暂停手机和录像机的录像．

(5)重复步骤(2)～(4)，使电梯下降．

(6)根据需要，可以录制电梯楼层示数变化情况及实验环境，如图1和图4所示．

图4 电梯楼层变化情况

3 数据处理和结论

3.1 数据处理

利用会声会影或其他视频剪辑工具将上述几个视频拼接到同一画面中，如图5所示．

图5 实验视频画面

实验者的体重约为73 kg，电梯上升过程中，当示数突然增大，可以观察到此时加速度是向上的，如图6所示．

图6 电梯向上启动

当示数恢复为73 kg时，观察到加速度为零，如图7所示．

图7 电梯匀速向上运动

当示数减小时，观察到加速度方向向下，如图8所示．

图8 电梯向上减速停止

电梯下降过程也同样记录数据，最终将实验现象记录于表1中．

表1 电梯超重和失重现象记录表

3.2 实验结论

从表格数据看来，超重和失重现象与运动方向无关，与加速度方向有关．由此可以总结出超重和失重现象的条件：加速度向上，发生超重现象；加速度向下，发生失重现象．

4 结束语

利用手机传感器作为主要的测量工具，实时采集数据，再配合视频剪辑，本次实验探究过程使电梯中的超重和失重现象走入常规课堂，与学生的生活经验紧密联系．另外，此探究过程不仅实验现象清晰明了，而且实验过程可控，教师可以根据课堂节奏和学生情况自主控制．

智能手机引入物理实验教学，不仅可以提供创新的实验方法和新颖的实验内容，有助于教师拓宽实验形式，增加课堂的趣味性，而且可以成为研究性学习的有力工具．目前不少学校都将研究性学习作为学生课外学习的重要途径，通过研究性学习，学生能够自主地进行科学探究，获取知识．在本课结束后，笔者所教班级有一个小组基于Phyphox自主完成了测量身高的研究性学习课题，可见物理实验教学中引入手机传感器有助于激发学生的创新思维，促进自主探究．