大学物理实验教程-基本应用的加速度传感器实验数据及结果

(1)实验前的准备

安装Phyphox软件到手机上,软件打开页面如图2.10所示。第一栏为原始传感器菜单,有加速度(不含g)、加速度(含g)、陀螺仪、亮度、位置、磁力、压力传感器,再往下为声学传感器菜单,还有已经开发好的力学类和工具类实验项目。点击菜单“加速度(不含g)”后(图2.11),点击“▶”按钮,程序开始运行。第二个按钮是“删除”按钮。第三个按钮是“更多选项设置”按钮,点击后,弹出菜单栏如图2.12所示。

图2.10　原始传感器菜单

图2.11　加速度(不含g)图表界面

图2.12　更多设置界面

(2)用加速度传感器做的实验

加速度传感器有“加速度(不含g)”和“加速度(含g)”,只提供加速度测量的原始数据。二者的区别是第一个不包含重力加速度g,手机静置时的加速度显示为0;第二个包含重力加速度,手机静置时加速度显示值当地重力加速度值,输出数据会显示三个方向的加速度,X方向为手机长度方向,Y方向为手机宽度方向,Z方向为与手机面垂直方向。下面列举几个加速度的应用实例。

1)研究超重失重

人站立,手机平放在手上,打开软件,点击“加速度(不含g)”运行按钮,下蹲,过一会儿再站起来。显示数据如图2.13所示,由于手会晃动,X轴和Y轴方向也有加速度,我们只分析Z轴方向。下蹲过程中,加速度先为负值,后为正值,表示加速度先向下后向上,即手机先失重后超重;站起来的过程中,加速度先为正后为负,表示加速度先向上后向下,即手机先超重后失重。还可以将手机平放在电梯中的水平面上,让电梯上升或下降,利用加速度传感器就可以自动记录电梯的加速、减速过程。

图2.13　研究超重失重数据

2)研究自由落体运动

在地上放一块软垫,手机平放在手上离软垫一定高度,打开软件,点击“加速度(含g)”运行按钮,放手,手机下落到软垫上。截取Z轴的数据如图2.14,容易看出放手前Z方向加速度约为9.8 m/s2,下落过程中Z方向加速度为零,说明自由落体过程中手机处于完全失重状态。落到软垫上加速度突然增大后减小为9.8 m/s2左右。(www.xing528.com)

图2.14　研究自由落体数据

3)研究蹦极

将长橡皮筋一端固定在竖直墙面上,另一端与手机长端中点连接牢固,将手机拿到与橡皮筋固定端等高的位置(手机面与墙面平行),打开软件,点击“加速度(含g)”运行按钮,由静止释放手机。放手前竖直方向加速度约为9.8 m/s2,下落过程中竖直方向加速度为零,说明自由落体过程中手机处于完全失重状态,橡皮筋绷紧后加速度逐渐增大,增大到最大后又减小。

(3)用陀螺仪传感器做的实验

陀螺仪传感器会给出陀螺仪的原始数据,角速度以rad/s为单位记录。软件还利用陀螺仪传感器开发了两个实验:向心加速度,使用陀螺仪和加速度计探测加速度和向心加速度的关系;摆利用陀螺仪传感器可测量单摆的频率,从而测定重力加速度。

1)利用单摆测重力加速度

将细绳一端固定在竖直墙面上,另一端固定在手机上,让手机面与墙面平行,做成一个摆。打开软件,下拉菜单找到“力学”下的“单摆”,让手机偏离平衡位置一个小角度,点击“▶”按钮,放手后,软件会根据陀螺仪测量的数据自动记录单摆的周期和频率。软件设置了几个功能,其中“结果”栏目可以反馈单摆的周期和频率;在“g”栏目中可以输入摆长,系统会自动计算重力加速度g;在“摆长栏目”中,g默认值为9.81 m/s2,系统就会自动计算出摆长。注意测量摆长时,应从悬点的位置测量到手机的中心。实验数据如图2.15、图2.16所示。

图2.15　单摆测重力加速度

图2.16　测单摆摆长

2)研究向心加速度与角速度的关系

将手机固定在一旋转装置上,打开软件,下拉菜单找到“力学”下的“向心加速度”,点击进入后在“︙”中设置远程控制,在电脑浏览器中输入地址,让旋转装置旋转起来,点击“▶”按钮,装置转一段时间后点击“‖”按钮,系统自动记录了向心加速度和角速度,并画出角速度与加速度的关系图线以及角速度的平方与加速度的关系图。容易看出:向心加速度a与角速度ω的平方成正比,由此可以验证,向心加速度的公式a=ω2r。改变手机的旋转半径,重复上述实验,则得到的a-ω2图像的斜率不同。