基于手机传感器的动摩擦因数实验

李学智

摘 要：随着智能手机的普及，手机传感器逐渐被应用到物理实验教学中.以动摩擦因数的测量为例，介绍手机传感器在物理实验教学中的应用.

关键词：物理实验;动摩擦因数;智能手机;手机传感器

文章编号：1008-4134（2020）11-0055中图分类号：G633.7文献标识码：B

动摩擦因数是高中阶段一个比较重要的物理量，关于动摩擦因数的测量教材并没有介绍，高考考纲对此也未作要求，但近年高考试题中关于测量动摩擦因数的实验时常出现.一些一线教师虽对测量动摩擦因数的实验进行研究、总结[1-3]，但无论是从力的角度设计实验还是从能量的角度设计实验，基本上都采用传统的实验手段.本文以动摩擦因数的测量为例，介绍手机传感器在高中物理实验教学中的应用.

1 实验原理

如图1所示，将手机和木块视为一个整体，设其总质量为m，调节斜面倾角α，使木块和手机可沿斜面加速下滑，加速度为a.

由牛顿第二定律可得 mgsinα-f=ma（1）

由平衡条件可得 FN-mgcosα=0（2）

又 f=μFN（3）

联立（1）（2）（3）可得 μ=gsinα-agcosα（4）

实验时，通过手机Phyphox软件测量本地重力加速度g、斜面倾角α及木块下滑时的加速度a，即可得到木块与斜面之间的动摩擦因数μ.

2 实验装置及步骤

如图2所示，完成本实验需要装有Phyphox软件的智能手机、长木板、小木块、纸箱及双面胶.

（1）将手机水平置于桌面，打开手机Phyphox软件，选择“含（g）的加速度”，点击开始键，可测得本地重力加速度g=9.83m/s2（如图3所示）.

（2）将长木板平放在水平桌面上，小木块置于长木板上，用纸箱将长木板的一端垫高，使小木块能沿长木板下滑.

（3）用双面胶将手机固定在小木块上，打开Phyphox软件，选择“斜面”，点击开始键，测得长木板的倾角α=19.12°（如图4所示）.

（4）选择“加速度（不含g）”，点击开始键，释放小木块，记录小木块运动过程中的加速度a=0.68m/s2（如图5所示）.

（5）移动纸箱的位置以改变长木板的倾角，重复（3）、（4）的实验过程，可获得多组数据，并将数据填入表1.

3 数据处理及分析

利用（4）式可求得木—木间的动摩擦因数，测量值见表2.

人教版课本中给出木—木间的动摩擦因数为0.3，但由于实验中所使用的小木块表面涂有清漆，使得动摩擦因数的测量值偏小.若将小木块换成铁块、书本或将长木板换成玻璃板、钢板等不同材料，根据同样的办法即可测量不同材料之间的动摩擦因数.

为了获得准确的实验数据，在测量小木块加速度时应选择“定时运行”，设置启动延时和实验时长，以获取小木块稳定下滑过程的加速度，且随着长木板倾角的增大，启动延时和实验时长的数值应逐渐减小.

4 结束语

加快信息化时代教育变革是《中国教育现代化2035》的任务之一.但信息化的实验设备在乡镇学校甚至一些县城学校都还未普及，然而高中生中智能手机几乎人手一部，结合一些手机APP软件合理利用智能手机中的传感器开展实验教学，以教育信息化带动教育现代化，是实现教育现代化的一种有效途径.

利用智能手机中的传感器设计物理实验不需要专门的实验设备，如探究超重与失重[4]、自由落体运动、蹦极[5]、单摆周期和摆长的关系[6]、验证向心加速度与角速度的关系[7]等，使得物理实验生活化，实验探究常态化，有利于提高学生的科学探究能力，是落实物理学科核心素养的一种有效方法.

近年来因手机引发的各种校园冲突事件时常发生，智能手机对学生身心及学业的影响已经引起人们的普遍关注，不同学校根据实际情况制定手机管理规定，但“堵”不如“疏”，引导学生合理利用智能手机进行物理实验探究，使学生由玩“机”丧志转变为玩“机”激趣，这也是提高学生学习兴趣的有效策略.

参考文献：

[1]郑行军.测动摩擦因数的实验命题设计研究[J].物理之友，2017，33（04）：33-34+36.

[2]王春旺.测量动摩擦因数的六种实验方案和典例分析[J].中学物理教学参考，2013，42（03）：68-72.

[3]张波.综述测量动摩擦的四种方法[J].中学物理教学参考，2011，40（10）：6-7.

[4]丁彦龙，马广平，付静.基于手机加速度传感器的高中物理实验教学探索[J].中学物理，2019，37（05）：30-32.

[5]康贤明.借助Phyphox软件用手机做物理实验[J].物理之友，2019，35（03）：36-37+39.

[6]糜雪.浅谈智能手机在高中物理实验教学中的应用[J].物理之友，2019，35（08）：40-42.

[7]惠宇潔.智能手机在物理实验教学中的应用探讨[J].物理教学探讨，2018，36（07）：70-72.

（收稿日期：2020-01-01）