智能手机应用于物理实验案例设计：中学实践成果

加速度传感器的原理及其实验案例设计。

（一）加速度传感器的原理及应用

加速度传感器是由压电陶瓷材料制备而成的，这种特殊材料在不同的力作用下会发生不同的形变，在不同的形变作用下进而产生不同的电压变化，加速度传感器通过所受到的作用力大小进一步测量出加速度大小。在日常生活中我们常使用的手机计步器软件就是通过加速度传感器测量出三个维度方向上的加速度，再对加速度大小进行计算大概测出所走的步数。

Phyphox软件中的Acceleration with g模块与Acceleration（without g）模块，通过调用智能手机内部加速度传感器，采集手机运动过程中三维方向上加速度随时间的变化情况。因此使用Phyphox软件可以测量记录下手机运动过程中的加速度变化，如手机在自由下落过程中各个方向上的加速度变化，手机模拟人的“蹦极”过程中各个方向上加速度变化等，或是测量记录某物体运动过程中加速度变化，如电梯运行时的加速度变化情况、列车行驶过程中加速度变化、游乐场中各游戏设施的加速度变化等。

（二）基于加速度传感器测重力加速度

重力加速度是物理学中一个非常重要的物理量，传统实验借助打点计时器在纸带上记录下重锤自由下落过程中位移随时间的变化，通过分析处理纸带所打的点计算出重力加速度，由于空气阻力存在以及处理纸带时可能存在一定的误差导致实验结果的精确度不高。教材中基于自由落体运动物体的频闪照片得到物体下落时不同曝光时刻的图像即位移时间图，进一步分析处理得到物体下落的加速度。想要拍摄到较为理想的频闪照片对环境有一定的要求，且后期处理图片要得到像教材中那么理想易于分析处理数据的频闪照片也不大容易。相对于上述两种传统的实验方法，利用我们身边随手可得的智能手机，通过智能手机测量自身自由落体时的加速度，且手机所记录的数据直观地呈现出下落过程中加速度随时间的变化关系，能更深入分析了解整个自由落体过程。

实验原理：Phyphox软件记录下落过程中手机内置的重力加速度传感器测量出的加速度大小，所记录的图像直观显现下落过程中三个维度上的加速度大小变化情况。

实验装置：载有Phyphox软件的智能手机，海绵垫。

实验过程：打开Phyphox软件，点击Acceleration with g模块，再点击界面上的三角形按钮，从一定的高度由水平静止迅速释放手机让其自由下落，手机落在海绵垫（起到缓冲的作用避免手机摔坏）后再次点击三角形按钮停止记录数据。

实验结果：软件所记录的Absolute Acceleration值，即绝对加速度值为9.78m/s2。截取Z轴的数据，容易看出放手前，Z方向加速度约为9.8m/s2；下落过程中Z方向加速度大小为零，说明自由落体过程中手机处于完全失重状态；手机与海绵垫接触后先做加速度逐渐减小的加速运动，再做加速度逐渐增大的减速运动，最后加速度再次回到9.8m/s2，即手机静止在海绵垫上。

实验反思：运用智能手机测量重力加速度，在这个实验中智能手机既是重物又是测量系统，相较于传统实验而言实验器材简单易得，实验操作过程也不受时间、空间限制。在教师进行演示实验之后，学生课下也能自己进行实验探究。结合图像分析手机的下落过程，不同的线段对应着不同的物理意义，有助于学生联系到生活中的自由落体运动，体现了从物理走向生活的理念。(www.xing528.com)

（三）基于加速度传感器探究超重与失重现象

超重与失重这一实验探究是对牛顿定律的综合运用与提升，又与我们日常生活中的现象密切相关。教材中所给的实验探究方法：观察悬挂重物的弹簧测力计在竖直方向上做不同方式的运动时弹簧测力计示数的变化情况，发现不同运动情况下弹簧测力的示数是变化的；再对重物进行受力分析结合牛顿第二定律归纳得出，重物在不同的运动状态下其加速度的方向。在教学过程中通常会演示这样一个实验引入新课：一个装有水的带孔塑料瓶在空中静止时有水从孔中流出，释放塑料瓶后，塑料瓶在下落的过程中水流中断了，水不再从瓶中流出。在上述两个实验过程中，我们可以感受体会到超重与失重现象，通过Phyphox软件可以记录超重与失重过程中加速度变化的图像，即不同时刻所对应的加速度大小，通过数据直观准确的展示加速度变化情况，更有利于学生理解超重与失重的概念。

实验原理：运用Phyphox软件记录下蹲起立过程中加速度变化曲线图，手机在运行中的电梯所记录的加速度变化曲线图。分析手机在不同运动情况下与所对应的加速度变化趋势，归纳总结出物体的超重与失重现象。Phyphox软件中规定竖直方向向上为正，对应到曲线图中当加速度为正值表示加速度的方向是向上的，这时物体处于超重现象；反之当加速度为负值时，加速度的方向是向下的，这时物体处于失重现象。通过图像中加速度的正负值可以直接判断出物体的超失重现象。

实验装置：载有Phyphox软件的智能手机。

实验过程：打开智能手机中的Phyphox软件，点击Acceleration（without g）模块；将手机屏幕向上保持手中的手机处于平稳状态，点击三角形按钮开始记录，先快速向下蹲，过一段时间再快速站立起来；再次点击三角形按钮完成数据记录。

电梯运行时的超重与失重：将手机屏幕向上水平放置在电梯地面，打开智能手机中的Phyphox软件，点击Acceleration（without g）选项，电梯启动的同时点击三角形按钮，电梯停止时再次点击三角形按钮完成数据记录。

实验结果：Phyphox软件记录了三个方向上的加速度变化图像，但在该实验中只需研究竖直向上的加速度变化情况，所以只呈现了Z轴上加速度大小随时间的变化曲线图。

可知下蹲、起立整个过程中：最开始对应的加速度为0阶段，手机处于静止状态；然后加速度先为负后为正对应着先失重后超重的过程，这个过程对应着人下蹲中先加速后减速的过程；接着加速度为零对应人蹲在地面保持静止的过程；最后一段加速度先为正后为负对应着先超重后失重的过程，这个过程是人起立的过程，在起立向上运动的过程中先加速后减速。

电梯上升是一个先加速再匀速最后减速静止的过程，由于电梯向上运动，故加速时加速度的方向是向上的，减速时加速度方向是向下的，这个过程与相对应加速度先为正后为负，所以电梯在上升过程中先超重后失重；同样电梯的下降过程也是一个先加速再匀速最后减速静止的过程，但由于此时是向下运动的，所以加速度的方向是先向下再向上的，加速度先为负后为正，是一个先失重后超重的过程。

实验反思：在这两个实验中通过加速度的正负直接判断出超重现象和失重现象，利用数据图像形象化超重、失重过程，该实验方法还可以迁移应用到探究生活中的其他超重、失重现象，如过山车、蹦极和跳楼机等。在实验过程中需注意的是，实验中只需要测竖直方向上的加速度，手晃动时水平方向上也会产生加速度，因此在实验中要保持手机水平静止。