智能手机的妙用——基于PHYPHOX软件进行物理实验
上哪学2021-11-26
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手机作为一个通讯工具，从功能机迈向智能机，能够实现智能化全依赖于各式各样的传感器。智能手机能够实现触摸功能是利用电容触摸传感器，定位和运动感应功能是利用陀螺仪和加速感应器，根据环境亮暗自动调节屏幕亮度是利用环境光传感器，接听电话时靠近耳朵屏幕会变暗是利用红外线接近传感器，还有用于导航的“指南针”则是磁阻传感器等等。
同济大学物理学院的方恺教授，就借助同学们非常熟悉的智能手机、平板电脑，向大家介绍了Phyphox手机测量软件，以及基于此软件设计的物理实验。方教授首先为同学们介绍了软件的由来与下载、安装方法。
Phyphox是德国亚琛工业大学基于传感器设计开发的物理实验手机软件。这个软件通过调用手机的内置传感器，根据手机的运动情况和周围环境进行相应的数据测量。由于传感器的种类繁多，因此通过巧妙的设计，就可以实现力学、声学、电磁学和光学等多种实验。
方教授首先带领大家进行声速的测量：实验中以手机的麦克风作为声波发射源和接收器。将声源放置在一只顶端开口、长度为L的圆筒或圆柱形容器上方，声波在底面会被反射回来，并被麦克风接收到。
容器中的声场为入射波和反射波的叠加场。通过测量波源发射信号与接收到反射信号的时间差，以及长度L，就可以测量出声波在空气中的传输速度。
同学们跃跃欲试，以小组为单位按照方教授给的实验方案，进行合作实验。当同学们利用软件得出声速的实验值后，还与声速的理论值做比较，计算百分差，与方教授一起分析误差原因。
在同学们已经熟悉软件的使用方法以及做实验的规范操作后，方教授将主动权交给同学们，请他们设计如何将智能手机作为磁力计，测量地球磁场。地球及其周围空间存在着地磁场，其主要部分是一个磁偶极场，地心磁偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极。在地球表面任一点观测时，使磁针水平轴与当地磁子午线垂直，这时磁针N极所指方向即为地磁场强度方向，它与水平面的夹角即为当地的磁倾角。早在北宋年间，沈括在他所著的《梦溪笔谈》一书中，就描述了磁倾角这一现象。
方教授指导学生应用Phyphox中的GPS或手机指南针等软件，确定实验地点的经纬度。再通过相关网站去查询实验室所在地的地磁场、磁偏角和磁倾角等作为理论值，以备测量后进行参考。
同学们仔细查看手中智能设备所具备的传感器，并给出小组所设计的实验内容。方教授认真倾听了不同小组的实验设计方案，基于他们的设计进行方法上的指导和内容上的补充，对每个小组的方案进行完善。在方教授的协助与支持下，很多小组都利用自己的实验方案成功测量了地磁场，并将其与理论值比较，自行寻找误差产生的原因。
方教授的这次讲座给中学物理实验教学创造了更多的可能性。Phyphox软件的丰富功能可以帮助学生对学习和生活中接触到力热声光等现象自由的进行实验设计和测量，它的应用也有利于物理实验的情景更加形象直观的进行展现，开拓了学生的视野，激发了学习兴趣，提升了课堂效率，体现了信息技术在学科教学中的价值。
方恺，博士，教授级高级工程师，同济大学物理实验中心副主任。长期承担《物理实验》、《医用物理实验》（英）、《科研前沿与实践（二）》（竞赛或创新项目等）和《近代物理实验》等本科生系列课程，及《教育信息系统设计》等研究生课程的教学工作，担任 “中国高校实验物理教学研究会常务理事”和“教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会华东地区工作委员会委员”等职务，发表论文数十篇并多次获奖。
供稿：冯佳妮
编辑：江尤
审核：沈婷
以上内容来源于“同济大学附属实验中小学”公众号
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