身边的实验教学装备

兴乔++艾伦

话说装备（十八）

10.3969/j.issn.1671-489X.2014.12.001

目前的智能手机都具备多种传感器，并附带了各种测试软件，可以对周围环境的力、热、声、光、电、磁等物理量进行从简单到复杂的测量。在校的初高中学生乃至小学生，几乎都备有智能手机，这身边的实验教学装备就给随时进行的物理实验创造了条件；而对待数据的态度和数据处理的方法则为培养学生创新能力提供了支持。

1 智能手机中的传感器

智能手机中配备的传感器，绝大部分属于MEMS（Micro Electro Mechanical System，微型电子机械系统，或简称为微机电系统）传感器，它的应用已经涉及电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等多种科技领域。一般的智能手机上都具有了压力传感器、重力传感器、加速度传感器、角加速度传感器、位移传感器、方向传感器、光传感器、声传感器、温度传感器、红外传感器、湿度传感器、磁力传感器、GPS（全球定位系统）定位器等。

1）压力传感器其实是大气压力传感器，一般只能用于测量大气压强，但也可以根据当前位置的大气压计算出海拔高度。

2）重力传感器实质上是重力加速度传感器，以测量当前位置的重力加速度值为主。

3）加速度传感器也称线性加速度传感器，用于测量线性加速度或速度的变化情况。

4）角加速度传感器也称三轴陀螺仪传感器，用于测量X、Y、Z这三个方向的角加速度。

5）位移传感器也称接近传感器或距离传感器，用于测量物体到手机之间的距离。

6）方向传感器也称电子罗盘，可测量当前位置的东、南、西、北各个方向。

7）光传感器可以用于测量周围环境的光照度。

8）声传感器可以用于测量周围环境的声场强度。

9）温度、湿度传感器可以用于测量周围环境的温度和湿度。

10）红外传感器可以用于测量附近物体的红外辐射强度。

11）磁力传感器可以用于测量当前位置的磁场强度。

需要说明的是，并非所有的手机都配备了上述诸传感器，同样也不是上述传感器就囊括了手机传感器的全部，随着传感技术的发展，将会有更多具有特殊功能的传感器出现在手机上。相信今后的手机不仅要配备这些可用于物理学量测量的传感器，用于化学量、生物学量测量的各种传感器也将会逐步出现，届时手机对化学、生物学实验教学的测量仪器作用也就会展现出来。

2 智能手机中的测量软件

智能手机中配备的各种传感器为物理量的测量提供了硬件条件，为了能够尽量准确地测量和提供数据，还需要编制相应的应用程序来完成测量和计算。目前为各种手机编制的测量软件已经十分丰富，此处仅以Android（安卓）系统为例作简单介绍。

1）多功能测量工具Smart Tools。这是一个集合了多个测量工具的应用软件，可分别测量长度、角度、坡度、距离、高度、宽度、面积、方向等；并具有金属探测仪、全球定位系统、智能罗盘、声级计、测振仪等功能。

2）超级工具箱。该软件集成了闹钟、计时、手电筒、指南针、录音机、计算器、日历、测量尺、水平仪、垂直仪、分贝仪、计步器等12种工具。

3）自动距离。该软件可快速测量任何物体的距离或高度，提供数据的单位为米（m），并具有三位有效数字。

4）超级尺子。该软件具有水平仪和垂直测准仪的功能，同时还提供了大距离测量，有效数字达到四位。

5）还有大量单一功能的测量工具软件，如温度计、声压分贝计、光度计、高度计、速度计、湿度计等。所有这些软件在进行测量时，为了数据的精确性往往不是仅依靠一种传感器，而是综合使用多种传感器来得到一个测量结果。例如：测量海拔高度的软件就同时使用了压力（气压）传感器和GPS定位器；测量方向时则联合使用了陀螺仪和电子罗盘；等等。

Android是基于Linux主要用于移动设备自由与开放源代码的操作系统，其开放性为用户开发编制该操作系统下的应用软件提供了宽松的条件。虽然在互联网上可以自由下载安装上述各种测量应用软件，但这些软件未必能够真正满足学校实验教学时学生对物理量的测量，所以开发新型的应用软件是必要的，也是可行的。

3 测量误差与数据处理

用手机测量物理量的最大问题是测得数据的可靠性，这里有两个方面需要说明：一个是测量值与“真值”之间的差距或测量误差的大小，即精确度；另一个是测得数据有效数字位数的多少，即分辨率。关于精确度的问题涉及到测量误差理论，在实验过程中一般存在两种测量误差：一个是构成实验系统的仪器和设备由于制造不精准而产生的系统误差；另一个是实验者由于生理和心理的影响使得操作上产生的随机误差。通常，减少系统误差的方法是尽量使用精度高的仪器设备和经常对仪器设备进行校准，而减少随机误差的方法则是在实验中对一个数据进行多次测量。

手机中的传感器因为成本问题使得其精度是很低的，所以在用手机作为实验仪器的测量时，要想降低系统误差是比较困难的。但是，使用手机进行测量的最大优势在于手机的数量多，实验过程中有很多学生共同参与，这将会大幅度减少系统误差和随机误差，而这一点是具有理论依据的，这个理论依据就是统计物理的律[1]。

律是说若一个系统的测量标准差（即系统误差）是Δ，则随着样本量n的增加，测量标准差将呈现规律的下降。具体到物理实验中，如果使用n=4只不同手机对同一个物理量进行测量，则测量误差（系统误差与随机误差）将由原来的Δ变为0.5Δ；而若使用n=100只手机测量，测量误差就减少为0.1Δ了，即降低了一个数量级。其实在这里能够使用律是基于一个基本假设的，那就是假设手机的设计制造都是努力地使得传感器的测量值尽量接近真值。但由于材料上和工艺上的原因，使它们随机地偏离了真值，并在真值附近呈正态分布。这个假设显然应该是成立的，因为任何一个手机传感器的设计制造者都会这样地去追求产品质量的。

有效数字位数是测量中另一个需要关心的问题。各种不同手机具有不同的传感器和相应的软件，测量结果显示数据的有效数字位数也是不同的，所以需要对所有参与测量手机提供的测量结果进行处理，即在计算所有数据的算术平均值时应根据有效数字处理原则，保留的有效数字位数为所有参加运算数据中的最少位数。

4 手机实验测量的意义

为了让学生了解现代化的测量仪器设备，购置和配备精良的实验教学装备是必要的。但是，学生利用低劣的仪器设备，通过自主的研究和设计，培养出他们能够测量和计算出精准结果的知识与能力才是更为重要的，因为这种能力是创新型人才真正所应该具备的能力。记得2003年首都师范大学教育技术系建立新实验室，购置了大量高档仪器设备，其中仅示波器就都是进口、宽带、存储型的。当请来北京大学信息科学技术学院的王楚教授和谢柏清教授对实验室进行项目评估时，两位教授对此大不以为然。他们说他们现在的实验室中仍然使用20世纪五六十年代的国产电子管示波器，但是他们的学生可以根据测试波形失真的情况（如波形倒角等）计算出示波器的实际带宽、波形的延迟等一系列参数，并根据这些参数对实验结果进行精确的数据处理。

创新型人才培养是一个重大问题，其中培养模式与培养方法非常的关键，所以教育装备在创新型人才培养中的地位与作用是十分值得认真研究的。

参考文献

[1]薛定谔.生命是什么[M].罗来欧,罗辽复,译.湖南科学技术出版社,2003:15.

endprint