王晓慧 董海侠
（天津市滨海新区田家炳中学 天津 300480）
摘要：目前，智能手机集成了多种高精度、高敏感度的传感器，与之相对应的软件也不断被开发，结合实际教学中的探索与实践，讨论如何利用手机APP改进传统测量自由落体加速度，并提出了具体的操作步骤，以及由此实验引出的再应用。
关键词：Phyphox软件；智能手机；重力加速度
《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出，实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。教师要拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。随着智能手机的日益普及，手机改变了人们的生活方式，甚至已影响和渗透到物理教学中来，日益成为物理教学中一种有力的工具。利用手机中的传感器和应用程序可以很方便地采集数据，进行物理实验。本文以用手机测自由落体加速度为例，从感性上初步了解用手机测量物理量的新实验方式，同时，通过观察手机传感器采集的自由落体加速度曲线，从原理上阐述数据生成的原因及直观地体会自由落体运动的特点。
一、软件介绍
Phyphox全称“physical phone experiments”，由德国亚琛工业大学在2016年发行的一款手机应用软件，包含加速度传感器，磁力传感器等多个传感器，安卓设备和IOS设备均可免费下载安装，它能通过图形或数字直接呈现实验数据，使实验数据的读取和处理变得快捷和高效。
二、实验介绍
（一）实验器材
本实验使用的实验仪器有苹果手机和phyphox软件。
（二）实验过程
1、使用软件中“含（g）的加速度”一栏测量重力加速度
（1）先将手机水平静止放在桌面上，打开软件，进入“含（g）的加速度”，点击开始，软件就会自动记录数据，此时z轴方向的加速度计的读数即为所在位置处的重力加速度的值。如图下左图所示。
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（2）把手机举起一定高度，用手水平拖着手机，打开数据记录开关，手掌迅速向下运动，让手机脱离手掌而自由下落，然后接住手机。为了保证手机的安全可在底部放置棉垫等软物进行保护。采集到的实验数据如上右图所示。发现当手机自由下落时数据中有一部分是几乎不变的水平线，这段图像正是手机自由下落过程中Z轴方向的加速度，即自由落体加速度。
2、使用软件中“加速度（不含g）”一栏测量重力加速度
把手机举起一定高度，用手水平拖着手机，打开数据记录开关，手掌迅速向下运动，让手机脱离手掌而自由下落，然后接住手机。采集到Z轴方向的实验数据如下左图所示。因为手机下落的时间很短，所以图像向下部分最尖端的数据为手机刚开始做自由落体运动的加速度。将图像放大，即可读出此时的加速度的数值。
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（三）理论分析
手机的加速度计是一个微小的电子机械振动系统，是一个振动结构，由于外界加速度会影响结构的振动特性，因此可以用来测量加速度。加速度计测量加速度本质上是通过测量力而实现的。其测量原理可以抽象为如下“弹簧-重物”模型，它内含X轴、Y轴、Z轴方向的三组弹簧，重物质量已知。
手机软件采集的是弹簧的弹力，使用软件中“含（g）的加速度”测量时，弹簧的弹力（F）作为重物的合力，即F=ma。当手机水平静止放在桌面上时，x，y轴上弹簧没有弹力，只有z轴上弹簧有弹力且等于重物的重力，即F=mg。可知a=g，即手机软件测量的z轴方向的加速度为重力加速度的值。当手机自由下落时，手机处于完全失重状态，弹簧弹力F=0，相应软件测得的z轴方向的加速度也为0，与实验的结果相一致。使用软件中“加速度（不含g）”进行实验时，软件系统采集的同样是弹簧的弹力（F），但是在显示a的数据时，是用弹簧弹力减去重物的重力作为重物的合力来计算加速度，即F-mg=ma。所以当手机静止时，z轴的加速度显示为0；手机自由下落时，弹簧的弹力F=0，此时重物的加速度可由-mg=ma，得到a=-g。软件系统默认垂直于手机平面向上为正，因此，实验测得的结果为-9.7514 m/s2。
三、实验拓展
本实验虽然是用来测量自由落体加速度的数值，同时手机在自由下落的过程中，内部弹簧-重物系统中弹簧的弹力为0，从而直观显示在z轴加速度数值为0，通过原理的理解，可帮助学生从现象和原理两个方面更好的理解完全失重这一物理概念。
经过笔者和学生的共同研究，发现当手机静止倾斜放置在水平桌面上是，z轴加速度的数值比水平放置时要小，而且随着倾斜角度的增加，z轴加速度的数值会逐渐变小。这其实是重力在垂直于手机平面方向的分力在逐渐减小，从而导致垂直于此方向的加速度的数值也逐渐减小。如上右图所示。为学生学习矢量的分解尤其是力的分解有很大的直观体检，从而对物理中矢量的合成与分解的概念有了感性的认识，有利于后续突破重物与斜面间的正压力不等于重物的重力这一难点。
为了更对矢量的合成与分解进行更深层次的理解，当手机倾斜某一角度静止放置在水平时，用软件测得的各个方向的加速度值如下图所示。从数据中可发现z轴的加速度值为9.68 m/s2，y轴的加速度值为1.5 m/s2，而重力加速度的值为9.80 m/s2。比较数据之间的关系可得9.682+1.52=9.82，此式可以验证矢量合成遵循平行四边形定则。
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四、实验效果
软件里装有传感器，与传统传感器使用相比较，不需要仪器调试，仪器获取简单，数据直接生成，可视性强，大大提高课堂效率。有利于学生树立相互作用与运动观的物理观念，通过对本实验数据的科学讲解，提升了学生证据意识以及尊重实验事实的良好品格，同时把现代通信工具引入课堂，培养了学生正确的科学态度与价值观，既有利于养成正确合理使用手机的习惯，也帮助学生树立科教兴国的爱国情怀。
手机做为一种常用通信工具，已经走进课堂中，不再只是做为一种沟通工具。通过对自由落体运动加速度的测定，相比较用打点计时器纸带处理数据或频闪照片等传统实验方式而言，大大减少数据处理实际，让课堂效率更高，而教师通过开发智能手机软件完成物理实验，对教师自身的科研能力也有很大的促进作用。
五、结语
用手机传感器测重力加速度实验，是新课标教材在整体设计中应用手机传感器进行操作的物理实验，这也是顺应大数据时代的要求，我们生活在一个信息化时代，人们生活节奏很快，就要与时俱进，教育更是如此。顺应时代潮流，不仅让学生从感性上体会手机中传感器能在物理实验中发挥的作用，学会用现代科技手段解释现象和原理，更在激发学生学习兴趣的同时，借助于教师的有效引导让学生学会主动学习，从而有效落实学科核心素养，实现教育树人的目标。
参考文献：
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