基于物理核心素养立意的课外实验设计

张超　刘晋君　邓泳欣

摘 要：利用实验仪器测量物体加速度的方法，很少能将其运用在生活中.随着科技的发展，智能手机早已在我们生活中普及，随着手机硬件和软件的功能升级，我们也可以利用手机这样的便携智能工具估测生活中机动车运动的加速度.本文结合教学实践提供两个实用方案.

关键词：智能手机;量角器APP;传感器APP;测量加速度

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0045-03

作者简介：张超（1986-），男，山东东平人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确了物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面.物理是一门基于实验的自然科学，学生的物理知识来源于课堂，更应当使之应用于生活，这是物理知识内化为物理素养的一种重要表现，也是高中物理教学的重要课题.本文结合自身教学实践，以“利用智能手机估测机动车的加速度”两个实用方案为例进行探讨.

1 利用手机摄像功能和量角器APP估测机动车的加速度

1.1 实验原理

当机动车加速运动时，悬挂在车厢内的物体，由于惯性，会向机动车运动的反方向摆动，使绳子与竖直方向产生倾角（如图1）.如图2对其进行受力分析，沿水平方向和竖直方向分解绳子拉力，结合牛顿第二定律，可得关系式：tanθ=F1mg，F1=ma，即a=gtanθ，即只需测量出偏移角θ，就能够计算出机动车的加速度a.

1.2 实验步骤

（1）在静止的机动车扶杆上用绳子悬挂一个重物，调整绳子结点的位置，使重物与绳子紧贴扶杆，与竖直方向夹角为零.

（2）利用三脚架固定手机，打开手机“拍照”功能，利用手机摄像功能中自带的标尺网格，调整手机位置，尽量使竖直标尺与绳子重合.

（3）机动车启动后，按下手机连拍按钮，记录重物从静止到产生最大倾角的全过程.

（4）選择一张倾角适当、成像清晰的照片，利用手机“AR测量”APP中的角度测量功能（如图3），测量绳子与竖直方向之间的倾角θ.

（5）将测量数据代入关系式a=gtanθ，运用手机计算器功能，计算此瞬间机动车的加速度a.

1.3 注意事项

（1）测量的准备过程中，调整好绳子的结点位置和松紧情况，保证重物在摆动过程中，绳子结点位置不会上下滑动;

（2）实验过程通过手机拍照功能记录并测量重物的偏转角度θ，因此需要尽量使手机拍摄的平面与重物摆动的平面在同一竖直面，以减小因拍摄角度问题带来的实验误差.

2 利用手机传感器APP估测机动车的加速度

2.1 实验原理

随着电子数码技术的进步，智能手机已经不再是一个简单的通讯工具，而是具有多种功能的便携式电子设备.手机内常见的传感器有7种：地磁传感器、陀螺仪、光传感器、距离传感器、重力传感器、加速度传感器、磁场传感器，涵盖了力、热、光、磁等多个方面（如图4所示），可以对力、热、光、磁等相关物理量进行简单的测量，供实验者分析.常用的手机传感器实验APP有“Sensors”APP和“科学日志”APP等.

本实验选用“科学日志”APP其中较为简单的加速度传感器为例，估测机动车的加速度（如图5）.

进入图5界面图示，加速度传感器可以测量三个方向（X，Y，Z）的瞬时加速度，并以正、负数表示其方向.同时记录多方向加速度随时间的变化，并直接绘制成图像.

2.2 实验步骤

（1）打开“科学日志”APP，新建实验，在初始界面上点击Y轴加速计按钮，进入瞬时加速度测量界面.

（2）将智能手机静止放置于机动车上，调节手机位置，确保手机的Y方向沿平行车辆前进方向放置（此时Y轴瞬时加速计示数应显示为0），对手机进行固定.

（3）确定传感器数据记录器已正常工作后，开启“屏幕录制”功能，启动机动车.

（4）一段时间后点击停止按钮，得到机动车加速度随时间变化图像.

（5）点击右上角功能键，选择导出到文件，得到实验具体的数据表格.

2.3 数据处理

（1）实验中可得如图6所示的机动车加速度随时间变化图像.

（2）从图中可以得到沿机动车前进方向的加速度，系统默认向前（指向手机头部）的加速度为负值，点击曲线可以选择读取具体某一时刻的加速度大小.

（3）根据导出的数据表格，可以对数据进行具体的操作.

2.4 注意事项

（1）测量前，可通过对比Z方向的加速度接近重力加速度g，来判断智能手机是否与水平方向共面，以确保Y方向与汽车运动方向一致，提高测量的准确性.

（2）为进一步提升测量的精准度，在确定好手机的放置方位后，可以使用车载支架对手机进行固定.

（3）通过传感器生成的图像，既能观察汽车启动全过程的加速度变化，还能针对特定时刻读出瞬时加速度大小，让学生更深刻地体会物理知识与生活实际之间密不可分的联系，有利于帮助学生建立正确的科学态度与价值观.

3 结束语

现如今手机已经成为人们日常生活中不可或缺的重要工具.利用手机自带的摄像、传感器等功能实现对实际生活中的客观规律进行探索，既体现了物理学科核心素养中科学探究、科学态度与责任的要求，更有利于提升教师及学生接受新事物的意识、提高信息化实验操作的能力，与时俱进，一举多得.同时，手机传感器相比于传统的打点计时器、光电门等实验器材具有精确、敏感、图像化、数据化等突出的优势，更加有利于让物理实验走进实际生活.相信随着手机智能终端技术的不断进步，还会有更多的智能工具为物理教学服务.

参考文献：

[1]李立，张皓晶，张雄.基于智能手机磁性传感器测量重力加速[J].物理实验，2019，39（09）：58-60+63.

[2]胡琦珩，丁益民，冯一帆.利用智能手机验证牛顿第二定律[J].物理教师，2017，38（10）：50-52.

（收稿日期：2020-09-10）