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)