基于智能手机的电学创新实验研究

乔宝义

利用手机借助Phyphox（手机物理工作坊）软件，探究电容器充放电过程和自感对电路中电流的影响，开展两个创新实验设计。该创新实验设计取材方便，实验效果明显，为没有DIS实验系统的中学提供了一个优化的实验方案。

一、探究电容器的充放电过程的创新实验

（一）教材实验方案呈现

人教版高中物理选修3—1《电容器的电容》一节中，在“做一做”栏目中提供了“用DIS实验系统观察电容器的放电过程”的实验方案：电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是，它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化，将它与计算机相连，能在几秒内画出电流随时间变化的图像。实验步骤如下：按照教材图连接电路（电源用直流8V、电容器选几十微法的电解电容器）。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电。然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示电流随时间变化的I—t曲线。

（二）问题的提出

电容器是学生在高中遇到的第一个非线性电学元件，电容器充放电实验对帮助学生理解电容器的特性和电容器的工作过程至关重要，了解电容器充放电过程电流呈现的特殊暂态变化有助于学生学习后续的交变电流知识。教材正文中提供的实验只是通过检流计指针的变化对电容器充放电过程进行了定性探究。然而在实际实验中，充放电时间过于短暂，电表指针偏转迅速，学生无法通过检流计指针的摆动看清电流的变化特点。本节教材“做一做”中提供了“DIS实验系统观察电容器的放电过程”的实验方案，该实验可以通过图像清晰地展示电容器放电过程电流的变化情况。该实验方案需要借助电流传感器和配套的系统软件，使该实验在没有传感器系统的情况下无法开展。本文介绍如何利用唾手可得的智能手机Phyphox完成电容器充放电的实验，通过实时追踪实验数据和手机投屏，使该实验变得易于开展且形象直观。

（三）创新实验设计

1.实验原理：智能手机中有一个指南针功能，利用的是手机内置的磁场传感器。借助Phyphox中的磁力计功能，可以显示手机感受到外界磁场的强弱。实验中将一个自感系数较小的线圈与电容器串联，在电容器充放电时，电流会流过线圈，从而在线圈中会产生磁场，线圈轴线上产生的磁场与线圈中的电流成正比，线圈轴线上磁场的变化与线圈中电流的变化是一致的。通过手机探测线圈轴线上的磁场，利用Phyphox中的磁力计功能中的图表数据，显示磁场的变化情况，从而反映电流的变化特点。

2.实验器材：线圈一个、学生电源一个、智能手机一部、电容器一个、开关一个、导线若干。

3.实验步骤：利用智能手机在百度里搜索Phyphox并安装；按照图1所示的电路图连接实验电路；利用手机投屏功能将手机画面投屏到笔记本电脑或大屏幕上；打开手机上的Phyphox中的磁力计功能，选择“简明值”，点击开始按钮（三角形按钮），通过调整手机方位，使“磁力计X轴”数据为零，完成磁力计的调零；保持手机方位不变，选择“图表”，点击开始按钮（三角形按钮），选择界面中的“平移和缩放”通过双指缩放使变化图像收缩成一条直线，在“更多工具”中选择“跟踪新数据”；打开电源，闭合开关，观察电容器充电时电流变化的动态图像；拆下电源，两接线头相接，观察电容器放电时电流变化的动态图像；实验完毕，整理实验仪器。

4.实验数据与结论：通过图像3可知，电容器充电过程中，充电电流逐渐减小，最终减小为零；通过图4可知，电容器放电过程中，放电电流逐渐减小，最终减小为零；对比图3和4可知，电容器充电电流的方向与放电电流的方向相反，但变化特点相同。

二、探究自感对电路中电流的影响的创新实验

（一）教材实验方案呈现

人教版高中物理选修《互感和自感》一节，在“做一做”栏目中提供了“用DIS实验系统演示自感对电路中电流的影响”的实验方案：按教材图连接电路，可以看到，开关闭合时电流是逐渐增大的；拆掉线圈，按教材图连接电路，可以看到，闭合开关时电流瞬间增大。

（二）问题的提出

线圈对电路中电流的影响的认识和理解，有助于加强学生对楞次定律的理解，也是学生分析振荡电路的基础。所以做好“自感对电路电流的影响”的演示实验是至关重要的。本节教材“做一做”栏目中提供了“用DIS实验系统演示自感对电路的影响”的实验方案，该实验可以通过图像清晰地展示自感对电路中电流的影响，效果很好。但该实验方案需要借助DIS实验系统，使得该实验在没有DIS实验系统的情况下无法开展。本文将介绍的实验方案，利用唾手可得的智能手机借助Phyphox来完成该实验，实验效果很好，实验易于开展。

（三）创新实验设计

1.实验原理：智能手机中有一个指南针功能，利用的是手机内置的磁场传感器。借助Phyphox中的磁力计功能，可以显示手机感受到的外界磁场的强弱。实验中将一个自感系数较小的探测线圈串联到电路里，流过自感线圈的电流会流过探测线圈，从而在探测线圈中会产生磁场，探测线圈轴线上产生的磁场与其中的电流成正比，线圈轴线上磁场的变与探测线圈中电流的变化是一致的。通过手机利用Phyphox中的磁力计功能，显示磁场的变化情况，从而反映电路中电流的变化。

2.实验器材：线圈一个、学生电源一个、智能手机一部、可拆卸式变压器一个、滑动变阻器一个、开关一个、导线若干。

3.实验步骤：按照图5所示的电路图连接实验电路；学生电源接交流6V，a、b间接入变压器的一个线圈，闭合开关，观察图像；其他不变，将线圈拆下来，在a、b间接入滑动变阻器，闭合开关，观察图像；实验完毕，整理实验仪器。

4.实验数据与结论：通过对比两个图像可知，电路中接入线圈，闭合开关时电流逐渐增大，线圈对电流的变化有阻碍作用。

本文中提供的两个实验方案，对教材给出的实验器材做了创新性改进，利用唾手可得的智能手机代替DIS实验系统，使得该实验在更多学校的实际教学中易于开展。利用本实验方案，既可以进行课堂演示实验，也可以进行学生分组实验，实验器材易得，实验操作简单，实验环境不受限制，而且实验效果非常明显。

注：本文系2020年甘肃省临夏州教育科學规划“农村中学物理低成本创新实验的开发与利用”（课题立项号LX[2020]ZD014）的阶段性研究成果。

（焦  佳  左毓红）