基于Phyphox的牛顿第二定律实验改进

王丽君

(安徽省芜湖市中江中学，安徽 芜湖 241000)

发展学生核心素养是高中物理课程目标，科学探究是物理学科核心素养的一个重要方面。科学探究是指基于观察提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思，实验教学是培养中学生科学探究能力的重要途径。

实验是物理研究的重要方法，演示实验作为教学的一种形式，在物理课堂教学中不可或缺，实验效果直接影响课堂教学效果。传统的演示实验教学往往面临诸多问题，如实验仪器较为陈旧、实验现象难以观察、实验精度不够、数据采集和分析困难等，常常达不到预期效果，给物理实验教学带来很大的挑战。在实际教学过程中，大多数老师会采用减少课堂演示实验的方式来应对，使本来就不多的课堂实践环节变得更少，难以将理论和实验结合起来，造成部分学生对物理学习的兴趣下降。

现代通信技术飞速发展而且已经普及，智能手机集成了多种传感器，手机中的传感器不仅性能越来越强，精度也在逐步提高。将手机传感器与中学物理实验教学相结合，不但能节省大量资源，同时也在一定程度上解决了实验设备短缺等问题，使学生能通过手机更加直观形象地观察和记录物理实验现象,使得实验教学变得更加直观和高效。

Phyphox手机App基于智能手机所配备的传感器，创建了辅助物理实验的工具箱，它突破了传统传感器操作空间的局限，拓展了物理课外实验的范围，且有成本低、方便实用的优点，为物理量的测量提供了新的工具，诸如加速度传感器、磁传感器、陀螺仪(旋转传感器)、光传感器、压力传感器、声音传感器、温度和湿度传感器等。目前可实现29种测量功能，如加速度、角速度、光照强度、磁感应强度、压力、声音的振幅和频率等物理量的测量。本文基于Phyphox手机APP，利用手机的加速度传感器，对牛顿第二定律实验教学进行改进。

1 实验原理

探究牛顿第二定律时采用控制变量方法。

(1) 控制两个物体质量之和保持不变，利用手机中加速度传感器测出物体在运动过程中加速度随合外力变化的情况，作物体加速度a与合力(M1-M2)g的图像，进而得出结论：当系统总质量不变时，系统运动的加速度与其所受合外力的成正比。

2 实验装置

实验装置如图1所示，实验器材为:2 g钩码若干、定滑轮、细绳、内置加速度传感器的手机两部等。

图1

3 实验步骤

(1) 分别测出左侧钩码和手机总质量M1以及右侧钩码和手机总质量M2，将悬挂有钩码的两部手机分别悬挂在滑轮两侧，保持总质量不变，测得手机质量为194 g。调整好装置，做好实验准备。

(2) 打开两侧手机中的Phyphox App中测加速度(不含g)的项目(图2)，释放物体，当物体快落地时停止并记录数据(图3)。

图2

图3

(2) 将装置恢复原状，从质量较大的一侧取下一只钩码挂到另外一侧，再次打开手机“Phyphox”App中测加速度(不含g)项目，释放物体，并记录数据。如此多次改变两侧钩码的数量进行实验。实验时保证两侧物体的总质量之和不变，测出在不同合外力作用下物体加速度的变化情况，再根据测得的数据作a-F图像。

4 数据记录与处理

利用加速度传感器可记录x、y、z三个坐标轴上加速度随时间的变化图像，但由于该实验中物体在竖直方向上做直线运动，所以只需读出竖直方向的加速度，同时在其余两个方向上的加速度为0，也说明了物体在竖直方向上做变速运动，加速度的绝对值如图3所示，利用加速度—时间图像求出加速度平均值，将各组物体在竖直方向上的加速度数据记录在表1中。根据M1和M2的测量值求出合力(M1-M2)g的大小，记录到表1中。

表1

根据表1中的实验数据用Excel作a-F图像(图4)，从中可以得出结论：在总质量(M1+M2)保持不变的情况下，物体的加速度与物体所受的合外力成正比。

图4

表2

图5

5 结语

利用智能手机内置的传感器和Phyphox App开展牛顿第二定律实验，可以较准确地得到加速度与合外力、质量的关系。实验数据可直接从Phyphox手机App中读出，精确度比传统方法高，方法更简便。由于实验器材来源于生活，既可以用于课堂演示实验，也适合学生自主探究，实验过程体现了趣味性和创新性，为物理实验教学提供了新的思路和方法，有利于培养学生的创新能力和科学探究精神。