手機在物理實驗教學中的應用

2020-12-05 雨下得很大

0.簡述

智慧型手機集成了多種傳感器,如:①加速度傳感器,②重力傳感器,③光傳感器,④壓力傳感器,⑤磁傳感器等,結合APP軟體,可以測量壓強、磁場、加速度等,智慧型手機的一系列傳感器功能,為物理實驗教學提供了極大的便利。

【案例】:如利用聲音傳感器測量波速和波長,利用光傳感器測偏振光,利用加速度傳感器將超重失重可視化,利用溫度傳感器設計多種熱學實驗,利用磁力傳感器測角速度等等。

【案例】:利用方向傳感器判斷實驗臺是否水平;利用磁感應傳感器探究磁場的方向和強度;通過聲傳感器研究聲音的頻率;利用GPS傳感器測量物體的運動速度以及估算地球半徑。

二、手機APP(傳感器測量類)

手機傳感器測量類APP越來越多,例如Phyphox,BaroAlt,Altimeter,physics toolbox,ToneGenerator等等

1、SensorKinetics,加速度計可測量物體在x、y、z三個方向上的重力加速度。【案例】:手持條形磁鐵,自上而下插人閉合線圈中停一小段時間再自下而上抽出,手機屏上的壓力感應器顯示線圈對手機屏的壓力的變化情況,等等。

2、磁場探測器3D,在手機屏幕上面即可顯示出此點磁場的方向和具體大小。一是能夠顯示某位置的磁場方向和大小;二是相對於小磁針,手機感應器更靈敏。

3、parkVUE,可以利用該軟體分析物體的受力情況,運動的物體的加速度、速度,顯示聲波,同時還可以對實驗數據進行分析和處理.

4、Phyphox軟體

Phyphox是德國亞琛工業大學第二物理研究所基於傳感器設計開發的物理實驗手機軟體,Phyphox軟體可實現29種內置功能,可用於光學、聲學、力學、磁場等實驗。還提供了特定的實驗套件,可以研究、分析一些基本運動,如滾動、彈性碰撞、圓周運動、彈簧振動等。還提供了一些實用工具,如秒表、音頻發生器、角度測量儀等。在使用過程中,Phyphox軟體會以數字或圖像的形式顯示測量結果,並可以導出原始數據,方便使用者對結果進行進一步分析、處理。

A、用加速度傳感器做的實驗

①研究超重失重,②研究自由落體運動,③研究蹦極

B、用陀螺儀傳感器做的實驗

①利用單擺測重力加速度,②研究向心加速度與角速度的關係

【案例】:驗證性實驗:超重與失重;探究性實驗:彈球運動;測量性實驗:測定自由落體加速度,等等。

【案例】:單擺實驗,利用手機光線傳感器作為主要的測量儀器,實時採集數據,智能記錄實驗過程,並能將實驗圖像和數據輸出供進一步分析,提高了實驗的精度和速度.拓展研究了單擺阻尼運動、大擺角運動,更接近於實際的物理場景。

【案例】:在同一個轉動圓盤的不同位置上放置多個手機,此時所有手機的角速度相同,可以驗證向心加速度與運動半徑的關係。

【案例】:把智慧型手機綁在滑塊上,使滑塊從斜面上滑下,利用手機的加速度傳感器App記錄下滑時的加速度a,再根據關係式求出滑動摩擦係數。

【案例】:利用智慧型手機聲傳感器演示教材中的實驗,還對生活中的一些聲現象(酒瓶、音叉、樂器的發聲)進行分析。利用聲傳感器來探究都卜勒現象,用到「聲音發生器」和「波形檢測器」軟體。

5、PhysicsToolboxSuite(物理工具箱套件)

具有很多功能,可以測量力(G-ForceMeter)、加速度(LinearAccelerometer)、磁感應強度(Mag-netometer)、溫度(Thermometer)等16個物理量,該軟體非常強大,可以做很多的物理實驗。

三、智慧型手機素材採集,後期加工。

將智慧型手機還可以與外圍設備相融合,充分挖掘智慧型手機的圖像信息處理和展示能力、外圍傳感器數據收集能力、網絡通訊交互能力,可以實現虛擬世界與現實世界互動等。

【案例】:利用手機拍照功能把傳統實驗進行錄製,分析時序上的靜態情境;演示手機的電磁波信號在靜電屏蔽現象;觀察手機液晶屏的偏振現象;利用手機的計時器功能代替傳統的秒表等。

【案例】:利用手機高速攝影,製作類頻閃照片,研究自由落體。

智慧型手機傳感器軟體的出現與發展,突破了傳統物理實驗的限制,學生擁有一部智慧型手機,就相當於擁有了一套便攜的數位化實驗系統,可以隨時隨地進行物理實驗探究,給學生提供了更大的自主學習空間,學生可以根據自己的愛好,積極思考,勇於實驗,開拓思維空間,促進創新能力、思考能力、動手能力等的發展。我們要關注智慧型手機等信息技術產品對學習內容和學習環境的影響,充分利用、開發它們的功能,以服務於物理教學,只有這樣才能使其成為學生發展的助推器,真正在物理教學中發揮作用,達成培養學生核心素養的目標。

四、嘗試STEM教學研究

嘗試創客、編程、機器人設計與物理實驗結合。Arduino,包含硬體(各種型號的Arduino板)和軟體(Arduino IDE)。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境,通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的程式語言來編寫程序,編譯成二進位文件,燒錄進微控制器。為物理實驗提供了更廣的空間。

在教師的一些賽事中,看到了物理學科與創客的融合案例。

五、利用手機傳感器進行實驗的弊端

手機質量參差不齊,實驗前需要精心調試與校對。由於手機傳感器數據採集比較精確,很多的實驗需要在穩定的環境中進行。

手機APP,目前更新較快,切有些不穩定,服務物理學科的穩定的專業的APP目前很少。很多高效的的APP以國外的為主,國內基本上沒有。

多數實驗,需要教師個人自己進行設計,沒有成熟的案例,切很多實驗重複操作性有待提升。這一點,學校配備的DIS實驗裝置更有優勢。

綜上所述,手機進行物理實驗進入課堂,尚需時日,有待進一步考證。

2019.9.21晚23:00

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