利用Phyphox助力物理实验教学——以“加速度的测量、探究”为例

殷永娟

(浙江省安吉县高级中学,浙江 湖州 313300)

1 引言

智能手机集成了多种高精度、高灵敏度的传感器,使得测量结果更准确、操作更方便。Phyphox软件是基于手机中传感器而设计开发的物理实验软件(图1),使手机成为物理实验教学的新工具。

图1

加速度是高中物理中一个非常重要的物理量,但测量起来并不方便,用手机可以测出常见的加速度值，探究加速度与其他物理量的关系，提高学生的物理学科核心素养。

2 利用Phyphox测量重力加速度

图2

图3

图4

利用单摆测量重力加速度的实验关键在于对单摆振动周期的准确测量。实验结果表明：利用智能手机可以测量单摆的振动周期,测量结果准确。同时该实验又兼具趣味性与创新性，为物理实验教学提供了新的思路。

3 利用Phyphox探究向心加速度与半径、角速度之间的关系

“探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系”是《普通高中物理课程标准(2017年版)》规定的学生必做实验，是教学的重难点,而传统的向心力演示仪只能定性分析向心力与半径、角速度的关系。要得到向心力具体表达式，需要确定向心加速度与半径、角速度的定量关系。

“向心加速度”传感器可以得到任意时刻的向心加速度,也可以绘制出a-r、a-ω2图像，探究a与半径r、角速度ω的关系。

3.1 探究向心加速度a与半径r的关系

如图5所示，在圆桌面上放置两部手机,转动圆桌面,手机屏上显示a-t图,找到同时刻对应的加速度值,将实验数据导出(表1),并计算出a1/a2的值,其平均值为2.61,再分别测出传感器到圆心的距离r1=40.15cm、r2=15.40cm，r1/r2=2.607，与加速度之比基本相同，这样可以得出结论:当角速度相同时,向心加速度与半径r成正比。

图5

表1

3.2 探究向心加速度a与角速度ω之间的关系

如图6所示，将手机绑在倒置的自行车后轮里,转动脚踏板,得到a-ω及a-ω2的散点图(图7)。a-ω图像中点迹明显不在一条直线上，对a-ω2散点图进行拟合(图8)，容易看出:向心加速度a与角速度ω的平方成正比,改变手机的位置,重复上述实验,则a-ω2图像的斜率不同。

图6

图7

图8

综合以上两个实验的结果，可以得到结论：向心加速度与半径成正比、与角速度的平方成正比，即a=ω2r,再根据F=ma可以得到向心力公式。用手机完成探究实验，操作方便、数据精准，通过定量探究得到物理规律,更有说服力。

4 Phyphox软件应用于学生课外探究

(1)把手伸直,用手托着手机，打开手机加速度传感器，释放手机让手机离开手掌做自由下落，让手机落在软垫上,观察手机屏幕上落到软垫后的a-t图像(图9),学生经多次实验发现：加速度不断减小。

图9

(2)迅速下蹲、起立的a-t图像如图10所示，可引导学生探究失重和超重现象。

图10

(3)将手机固定在洗衣机桶壁上,按下向心加速度按钮,再按下洗衣机的脱水键，得到的a-t图如图11所示。

图11

学生亲自用手机完成实验会感到很新奇而且有成就感,对物理产生了浓厚的兴趣,他们的探究能力和创新能力也有了很大的提升。

5 结语

Phyphox软件功能丰富，可用来做诸多实验，智能手机轻巧便携,可以打破做实验的时空限制。教师的实验教学方式可实现灵活多样,同时学生也拥有自由的实验空间,这样可以激发学生的求知欲和好奇心。