基于手機(jī)傳感器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于傳感器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)〔〕:

摘要：智能自帶許多傳感器，可為中學(xué)物理課堂教學(xué)提供新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。本文以中線性加速度傳感器、磁力傳感器和聲音傳感器為例，設(shè)計(jì)一些中學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：傳感器；中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

本文引用格式：毛明駿,陳增宇,黃宏銳,等.基于傳感器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(20):243-244.

隨著智能不斷普及，智能在日常生活中發(fā)揮著很大的作用。智能中有很多傳感器，如磁力傳感器、線性加速度傳感器、聲音傳感器、陀螺儀傳感器、溫度傳感器等，這些傳感器與初高中的很多物理量有著嚴(yán)密的聯(lián)絡(luò)，假設(shè)利用這些傳感器設(shè)計(jì)一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，不僅便于教師的教學(xué)活動(dòng)，而且可以吸引學(xué)生注意力，進(jìn)步其課堂積極性，加深對所講內(nèi)容理解。本文以線性加速度傳感器、磁力傳感器和聲音傳感器為例，設(shè)計(jì)一些中學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)【1】。

一利用加速度傳感器探究超重與失重現(xiàn)象

電梯運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生超重與失重現(xiàn)象，高中教材只是通過讓學(xué)生觀察秤示數(shù)的變化來定性理解超重與失重現(xiàn)象，而利用軟件"sensorkinetics";內(nèi)的"linearaccelerationsensor";功能，可以定量測量加速度隨時(shí)間變化關(guān)系，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)如下。

如圖1所示，將秤置于置于秤上，豎直向上為加速度在Z軸的正方向。在未啟動(dòng)電梯前，秤測得靜止時(shí)質(zhì)量

為225g。

當(dāng)電梯運(yùn)行時(shí)，分別記錄向上的加速運(yùn)動(dòng)、向上的減速運(yùn)動(dòng)、向下的加速運(yùn)動(dòng)和向下的減速運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度隨時(shí)間變化情況，同時(shí)觀察秤的示數(shù)變化，即視重的變化。以向上的加速運(yùn)動(dòng)為例：如圖2所示，加速度隨時(shí)間先增大后減小至0，然后做勻速直線運(yùn)動(dòng)。由數(shù)據(jù)記錄可知，z軸正方向的最大的加速度為0.63m/s2，此時(shí)的重力加速度為9.8m/s2，經(jīng)計(jì)算，秤的示數(shù)應(yīng)為m(F)=(mg+ma)/g=239.5g，觀察到秤的最大示數(shù)為240g。誤差很小，僅為0.2%。分別處理分析四種運(yùn)動(dòng)情況的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示，可見測量值與計(jì)算值符合的很好。

學(xué)生通過同時(shí)觀察軟件"sensorkinetics";內(nèi)的"linearaccelerationsensor";測得的加速度和秤的示數(shù)，不僅可以定性理解超重與失重，更可以通過定量計(jì)算，更深化理解超重與失重的本質(zhì)。

二利用磁傳感器探究初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)中s與t的關(guān)系

高中教程中直接給出了初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)公式，而我們?nèi)缃窨梢詫⒋盆F等間距固定于氣墊導(dǎo)軌的刻度尺上，將與滑塊固定在一起〔如圖3所示〕，利用內(nèi)部的磁傳感器，測得滑塊經(jīng)過每個(gè)磁鐵的時(shí)間，即可擬合s與t的關(guān)系。

詳細(xì)實(shí)驗(yàn)操作為為將正面朝上固定于滑塊上，用100g的鉤碼，從靜止釋放滑塊，利用軟件"sensorkinetics";內(nèi)的"MagnetometerSensor";功能，記錄經(jīng)過每一個(gè)磁鐵〔磁場強(qiáng)度的峰值處〕的時(shí)間，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，可得s與t2成正比，其斜率為74cm/s2，與通過內(nèi)的線性加速度傳感器測出的加速度a的二分之一相吻合，即可驗(yàn)證。

三利用聲音傳感器探究聲音的特性

將"聲音發(fā)生器";和"波形檢測器";軟件分別安裝在兩部智能〔分別用A和B表示〕中。首先將A中的"聲音發(fā)生器";翻開并點(diǎn)擊到正弦按鈕，頻率調(diào)到某一固定值〔如為650HZ〕。將聲音響度也調(diào)到某一固定值，如圖4〔a〕所示。翻開"On/Off";按鈕，就會(huì)聽到聲音。然后將B"波形檢測器";翻開，點(diǎn)擊"示波器";按鈕，即可在主面板上顯示此時(shí)聽筒承受的聲音波形圖，可以觀察到波的密集程度〔頻率〕以及峰值的大小〔振幅〕，如圖4〔b〕所示。保持A聲音。

發(fā)生器的頻率及A、B的相對位置不變，將"聲音發(fā)生器";的聲音響度控制器不斷增大，此時(shí)B中的波形峰值不斷增加，即振幅不斷增大，而波的密集程度〔頻率〕不變，如圖4〔c〕、〔d〕所示。由此可以得出結(jié)論：聲音的響度與聲波的振幅有關(guān)，振幅越大，響度就越大，而與聲波的頻率無關(guān)。

聲音傳感器，為學(xué)生認(rèn)識聲音的特性提供了可視化的場景〔波形圖〕。利用聲音傳感器不僅可以探究響度與振幅的關(guān)系，還可以探究響度與間隔聲源遠(yuǎn)近的關(guān)系、音調(diào)與頻率的關(guān)系、音色與發(fā)聲體材料和構(gòu)造有關(guān)等【2】。

四結(jié)語

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為根底的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)也是中學(xué)物理教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，物理概念、理論和規(guī)律都是在物理實(shí)驗(yàn)的根底上得出的。通過上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)可以利用傳感器進(jìn)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)不僅可以激發(fā)學(xué)生對于物理的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對于抽象概念的理解，還能促進(jìn)教師教學(xué)程度的進(jìn)步。我們也相信，在將來科技快速開展的過程中，傳感器將在中學(xué)物理教學(xué)中有著更加廣泛的應(yīng)用，也將充當(dāng)越來越重要的角色。

參考文獻(xiàn)

【1】楊蕾,胡銀泉.