基于智能手机的多普勒效应学生分组实验

饶迪 梁国盛

摘   要：针对基于智能手机传感器探究多普勒现象，设计了更为简单、易行的學生分组实验，实现了不同条件下对多普勒现象的定量研究，且实验效果明显。

关键词：多普勒效应;智能手机;传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）6-0046-2

智能手机内置了十余种传感器，如磁感应传感器、声传感器、陀螺仪等，各种传感器给物理实验带来了许多新的思路[1]。本文以“多普勒效应”实验为例，探讨智能手机在物理教学中的应用。

1    传统教学和实验中的不足

人教版教材和粤教版教材都是利用嗡鸣器引入课题，将嗡鸣器捆绑在木杆或绳子上快速转动让学生感受多普勒现象。随后，人教版教材用“多人步行”模拟多普勒现象，但学生难以理解“多人步行”和多普勒现象的联系，认为这种类比比较抽象。粤教版教材则要求学生根据教材给定的数据讨论交流多普勒效应的原理，缺乏实验过程，不利于培养学生的探究能力。

在实际教学当中，大多数教师会准备汽车或火车疾驰而过的片段，通过播放视频让学生感受多普勒现象。以耳朵作为测量工具，学生往往难以区分响度或音调的变化，主观性太强。对于部分难以区分响度和音调的学生，教师甚至会多次提醒是音调发生了变化，这必然会降低实验信度。

对此，有的教师将嗡鸣器和智能手机传感器结合使用[2]，实现了多普勒现象的可视化。有的教师则用智能手机代替嗡鸣器 [3]，利用两部智能手机进行演示实验，取得了良好的教学效果。但该文中的“多普勒效应的实验验证”部分也存在不足之处，如：只有摆角超过45°才能较明显地观察到频率变化;摆长至少1 m，对空间要求较大;两部手机相互靠近和相互远离的运动时间较短，两种运动过程连接紧密，需要再借助其他软件才能较好地读取实验数据。

考虑上述因素，笔者针对“多普勒效应的实验验证”部分设计了简单、易行的学生分组实验。

2    多普勒现象学生分组实验教学设计

2.1    相关App简介

除了苹果手机，安卓手机也可以下载“phyphox”软件，降低了使用者的硬件要求。安卓版“phyphox”软件功能同样强大，而且实现了英文和中文的随意切换，极大程度地方便了国内的使用者。

2.2    教学设计

学生分组实验中，两人为一组，A同学和B同学两人分别持智能手机作为声源和接收者，为了方便声源（或接收者）的运动，两位实验者站立间距约为一米。当任何一个手机移动时，声源和接收者产生相对运动，教师引导学生观察、记录、分析数据。

（1）A同学打开“phyphox”软件中的“音频发生器”板块，作为声源播放既定频率（如1000 Hz）的声音;

（2）B同学打开“phyphox”软件中的“音频自相关”板块，作为接收者探测声音频率;

（3）保持两部手机不动，测量接收到的频率为999.79 Hz，如图1所示;

（4）B同学手持接收者不动，让A同学将声源从右侧快速移至左侧，此时可以读取到声源靠近时接收到的频率为1005.30 Hz，同理可读取到声源远离时接收到的频率为994.34 Hz。测量过程及结果如图2所示。

（5）A同学手持声源不动，让B同学将接收者从左侧快速移至右侧，可以读到接收者靠近时接收到的频率为1012.45 Hz，同理可读到接收者远离时接收到的频率为985.74 Hz。测量过程及结果如图3所示。

（6）引导学生讨论实验现象，分析实验结果，总结出多普勒效应的规律，填写表格（见表1）。

3    总  结

与演示实验不同，本教学设计中的学生分组实验让学生亲自参与对多普勒效应的定量研究，体现了物理教学的实践性和科学性，培养了学生的创造性思维与探究能力。利用智能手机测数据大大提高了实验的信度，不仅辅助了物理课堂教学，还培养了学生实事求是的学习态度。教师在课堂教学时，也应尽量将传统教学和现代技术有效结合，提高教学质量和效率。

参考文献：

[1]饶迪，程敏熙，李锡均.智能手机传感器在中学物理实验中的应用综述[J].物理通报，2019（4）：123-128.

[2]欧剑雄.智能手机在多普勒效应实验中的应用[J].物理实验，2015，35（11）：13-16.

[3]张昉璇，程敏熙，张华.基于智能手机的多普勒效应演示实验教学设计[J].物理教学，2018，40（10）：77-80.

（栏目编辑    王柏庐）