手机传感器在向心加速度教学中的应用

杨润莲 叶子萱 龚杰 吴彬垚 龚晓波 陈晓莉

【摘 要】利用智能手机中的传感器技术，借助传感器套件phyphox软件中加速度与陀螺仪传感器功能，分别测出加速度和角速度ω的大小。通过计算机处理数据，定量地得出向心加速度的大小公式，从而加深学生对公式的理解与记忆。本文主要介绍了phyphox 软件的安装与功能、实验过程与实验结果。

【关键词】手机传感器;phyphox 软件;向心加速度;应用

【中图分类号】G633.7  【文献标识码】A  【文章编号】1671-8437（2020）04-0244-02

1   引言

做匀速圆周运动的物体速度大小不变但方向时刻改变，称之为向心加速度。2019年新版高中物理人教版教材先学习向心力，再学习向心加速度。向心加速度的大小根据牛顿第二定律由向心力大小公式得出，在后面的拓展学习中，再运用运动学方法结合数学中极限、微分等推导得出向心加速度的计算公式，但是向心力的大小只是在定性实验探究基础上得出的[1]。由此可见，如何得出向心加速度定量公式是值得广大教师思考的。

目前，越来越多的老师尝试在物理课堂上使用智能手机帮助物理教学，如：文献[2]使用手机拍照、录像功能，为学生展示物理现象，增强课堂的趣味性;文献[3]使用手机作为光源或接收源，向学生展示光学现象;文献[4]利用手机上物理实验室程序，开展虚拟仿真实验，等。隨着智能手机的功能被不断开发，智能手机辅助教学将逐渐成为一种流行的教学方式。本文利用智能手机中的传感器技术，使用加速度与陀螺仪传感器分别测量出加速度和角速度ω的大小，从而定量地得出向心加速度的大小公式。

2   传感器套件phyphox 软件下载及功能简介

2.1  下载软件

打开智能手机“应用市场”软件或百度、谷歌浏览器，搜索关键字“传感器”或“Sensor”，选择传感器套件 phyphox 软件下载并安装。

2.2  功能简介

打开phyphox软件，该软件为我们提供6大类29个分类实验，包括基础传感器（Raw Sensors）、声学（Acoustics）、日常生活（Everyday Life）、机械类（Mechanics）、计时（Timers）、工具（Tools）部分。

在基础传感器当中，软件为我们提供了加速度数据的两种表示方式，即有重力加速度与无重力加速度的情况，根据实验要求选择不同类型，以排除重力加速度对实验测量的影响，如图1所示。

实验得到的数据，可利用分享功能保存到手机上或者传输到电脑上，进行数据处理，方法如图2所示。

陀螺仪功能，可以测量手机转动的角速度，Absolute 值表示各方向角速度的矢量和，如图3所示。陀螺仪的角速度数据，可以在高中物理圆周运动相关实验中使用。

利用phyphox软件上述功能，可以为学生演示许多物理实验，为学生展示生活中的物理，使学生体会到物理学带给生活的改变。

3   手机传感器在高中物理向心加速度教学中的应用

3.1   实验目的

探究做匀速圆周运动的物体加速度与角速度、半径的关系。

3.2   实验器材

安装phyphox软件智能手机一部、电脑一台、转盘一个。

3.3   实验步骤

在实验中，保持半径r不变，通过测量加速度与角速度ω大小，确定与ω的定量关系;再改变半径r大小，重复实验，确定与r的定量关系。

（1）打开手机，选择phyphox软件，点击 Centripetal acceleration功能，将手机固定在转盘上;

（2）测量此时手机固定点到转盘圆心的距离，并记录数据;

（3）点击运行后以不同转速充分转动转盘，使手机记录足够的数据;

（4）停止转动并关闭运行，将实验曲线截图保存，后续用电脑处理;

（5）更换手机固定点，即改变半径r再次进行实验;

（6）处理实验数据。

3.4   实验数据记录与处理

（1）手机到转盘圆心的距离r1=0.2m，旋转转盘至自动停止后，得到数据如图4左所示，缩短手机到转盘圆心的距离r2=0.1m，得到数据如图4右所示。

（2）软件自动为我们自动绘制2幅图像，图5所示为r2=0.1m时的2幅图像，其中上图表示角速度ω与向心加速度的关系，下图表示角速度ω2与向心加速度的关系。

（3）将实验的两组数据导入电脑，绘制角速度ω2与向心加速度的图像至同一图像中，同时为实验数据添加趋势线，并显示公式，如图6所示。

3.5  实验分析与结论

通过上述图像，可以得出：当半径r相同时向心加速度与角速度ω2存在线性关系，即向心加速度正比于角速度ω2，即∝ω2。当角速度相同时，半径越大，物体运动的向心加速度越大。

图像中斜率表示向心加速度与角速度ω2的比值，由图像拟合的直线方程可得，当手机以半径r1=0.2m做圆周运动时，比值为0.1941，当手机以半径r2=0.1m做圆周运动时，比值为0.1076。测得的半径大小与实际半径大小的百分误差分别为2.95%和7.06%，两组数据均在实验误差之内，由此可以判断，当运动角速度ω一定时，向心加速度与物体做圆周运动的半径r成正比，即∝r。结合以上结论，可得加速度与角速度ω、半径r之间的关系：=ω2r。

4   结束语

随着科技的不断发展，智能手机的功能也会越来越强大，在今后的教学中，科技产品辅助教学的可行性将会越来越高，虚拟现实（VR）等技术很有可能在今后的物理教学中扮演越来越重要的角色，教师要跟随时代潮流，将理论运用于实践，发挥智能手机的教育价值。

【参考文献】

[1]毛明骏，陈增宇，黄宏锐，等.基于手机传感器的中学物理实验设计[J].教育现代化，2019（20）.

[2]张丹彤.让智能手机成为中学物理实验教学的好帮手[J].物理教师，2014（11）.

[3]林春丹，葛运通，成君宝，张晶晶，张万松.巧用智能手机做偏振光实验和超重失重实验[J].物理实验，2017（9）.

[4]孙少辉.智能手机在中学物理教学中的运用[J].物理之友，2015（4）.

【作者简介】

杨润莲（1999～），女，汉族，云南马龙人，西南大学物理学专业2017级本科学生。

【通讯作者】

陈晓莉（1966～），女，汉族，重庆市梁平人，副教授，硕士，研究方向：课程与教学论（物理）研究工作、（物理）研究工作。