用智能手机探究电梯中的超重与失重现象

江敏丽 吴先球

(华南师范大学物理电信工程学院 广东 广州 510006)



用智能手机探究电梯中的超重与失重现象

江敏丽 吴先球

(华南师范大学物理电信工程学院 广东 广州 510006)

利用智能手机自带的加速度传感器，借助相应手机软件得到电梯升降过程中加速度随时间变化图像，解决了体重计或弹簧测力计读数转瞬即逝、不方便记录分析的问题.同时，还可以利用牛顿第二定律对超重、失重现象蕴含的物理规律进行探究.通过实践，让学生理解产生超重与失重现象的条件和实质.

智能手机 超重与失重 加速度传感器

1 引言

超重与失重，既是牛顿运动定律的应用，又是日常生活中常见的物理现象.2012年高中物理课程标准的共同必修模块物理1对超重与失重的内容标准要求为，通过实验认识超重和失重现象，并提出活动建议，通过各种活动，例如乘坐电梯，到游乐场乘坐过山车等，了解和体验失重和超重.对于超重与失重现象，学生常常认为物体的重量随运动情况变化而变化，物体是超重还是失重由速度方向决定，物体超重失重的程度由速度大小决定[1]，由学生的前概念出发提出超重与失重的教学难点是：理解超重与失重现象的力学本质.

常规教学中为突破这一教学难点，教师们一般会采用乘电梯上升和下降过程中，让学生观察体重计的示数变化，或者在电梯中挂弹簧测力计，观察弹簧测力计示数变化.在课堂中让学生指出示数如何变化，为何变化，逐步引导出超重、失重现象产生的原因，解释力学本质.因此，利用日常生活中的电梯、体重计或弹簧测力计以及适当的重物配合，就可在电梯升降全过程中进行超重与失重现象的定量或定性观测.

但是，在电梯加速或减速过程中，物体超重或失重时体重计和弹簧测力计显示的结果多是转瞬即逝，因此，分析超重、失重现象很困难，效果不佳，体验过程中不方便学生记录，需要另外拿录制设备录下来到课堂上观察[2].

为了突破这一教学难点，本文提出借助智能手机自身携带的加速度传感器，探索电梯中的超重与失重现象，在乘坐电梯上升或下降的时候，将变化的加速度实时动态地显示出来，通过图像形象生动地显示，让学生充分理解及解释超重与失重现象.

2 智能手机传感器

智能手机具备多种传感器，可以检测加速度、磁场、光、声等各类非电信号，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，并转化成电信号，供人们分析使用.实验借助加速度传感器软件 (Physics Toolbox Accelerometer)，探测手机沿3个方向(x轴，y轴及z轴)加速度的实时变化，并以图像形式显示出来[3].(说明：安卓手机通过“应用汇”或“谷歌市场”等软件市场可免费下载各种手机传感器驱动软件.)

3 智能手机加速度传感器演示电梯超重失重现象

3.1 实施过程

安装加速度传感器软件后，将智能手机充当测量工具.进入电梯随着其一起上下运动，观察电梯在1楼和4楼间上升和下降过程中加速度的变化情况.

(1)将智能手机在电梯正中间水平放置，启动加速度传感器软件，由于只探究电梯竖直方向上的加速度变化，因此需要点击右上角设置，只显示竖直方向(z轴)的加速度变化，如图1所示.

图1 设置只显示z轴图像

(2)按运行按钮(图2中的“三角形”按钮)，并记录数据(图2中的“Record”按钮)，显示竖直方向上加速度的即时变化.(若需方便探究之后交流，可以使用录屏软件同时记录手机图像变化过程，录制存为视频文件，及时回看).

图2 加速度传感器显示界面

(3)电梯从1楼上升到4楼过程，摁下“4”电梯按钮，观察手机图像变化情况，做好实时记录，电梯停止后，按停止按钮(图3中的“”按钮)，并停止记录数据(图3中的“Stop”按钮)，命名文件(如图4所示，命名后点击“OK”)，保存文件数据，可以传送到电脑，也可以直接保存到手机中.上升过程显示图像如图3所示.

图3 电梯从1楼上升到4楼阶段显示图像

图4 保存数据图像

(4)电梯从4楼下降到1楼过程，摁下“1”电梯按钮，观察手机图像变化情况，做好实时记录，电梯停止后，按照步骤(3)，保存数据.下降过程显示图像如图5所示.

图5 电梯从4楼下降到1楼阶段显示图像

3.2 结果分析

通过截图记录，保存结果，通过表格记录电梯升降过程中各物理量的变化情况，并通过对智能手机的受力分析，做竖直方向所受的重力及支持力的大小比较，引出超重与失重概念，并对其产生的原因作解释.由图像分析可得，忽略电梯自身晃动(图3和图4中抖动的图像变化)等引起的误差外，在电梯上升或下降过程图像均出现两次突增或突减过程，将结果显示记录于表1中.

表1 电梯中的超重与失重现象记录表

3.3 活动建议

智能手机已经成为人们日常生活中不可或缺的物品，随着手机的不断普及，很多学生都了解手机的构造、功能和使用方法.如果能利用手机来做物理实验,将会引起学生极大的兴趣.教师可以在讲授新课前统一要求学生在课前完成，利用课余时间开展实验，填写表格，保存图像，然后在课堂上展示结果，如录制好视频展示(可自行安装录屏软件)，也可让学生说说做这个探究实验的体会，对比分析不同学生的结果，让学生经历探究超重、失重现象产生原因的过程.同样可以拓展：在不同楼层开展或者在不同厂家生产的电梯中做实验，对探究结果是否有影响？

4 结束语

基于智能手机探究电梯中的超重与失重现象具有以下特色：

(1)将电梯升降过程加速度瞬时的状态转化为图像显示，直观易懂，突破教学难点；

(2)学生在探究过程中随同电梯一起运动，在观测现象的同时，还有生理感觉，所以体验性非常强；

(3)电梯升降运动产生变化的加速度，利用牛顿第二定律，分析不同加速度对应的物体所受压力或拉力的变化，可以在实验中利用牛顿第二定律分析超重、失重情境中的物理规律.

1 李希凡.基于前概念转变的“超重与失重”教学探讨.物理教师,2014(07):21～22

2 赵洁.中学物理概念教学难点确定与突破理论与实践研究：[学位论文].长春：东北师范大学,2012

3 Vieyra Software.Physics Toolbox Accelerometer.(2014-5-9)[2014-8-10]https://play.google.com /store /apps/ details? id = com.chrystianvieyra.android.physicstoolbox accelerometer&hl = en.Html

4 张春斌,王妍琳,周少娜,等.利用手机加速度传感器探究竖直方向弹簧振子运动. 大学物理,2015(07):15～19

5 朱敏亮,肖化.基于滑轮组的超重失重演示仪. 中学物理教学参考,2015(15):29～30

6 Patrik Vogt, Jochen Kuhn.Analyzing free fall with a smartphone acceleration sensor.Physics Teacher,2012，50(3)：182～183

7 Jochen Kuhn, Patrik Vogt.Analyzing spring pendulum phenomena with a smart-phone acceleration sensor.The Physics Teacher，2012，50(8)：504

江敏丽(1993- )，女，在读硕士研究生，主要从事物理实验教学研究等研究.

指导教师：吴先球(1968- ),男，博士，教授，主要从事信息技术在物理实验中的应用研究及物理实验研究.

2016-07-18)