李耀宗 華雪俠 馬 晴

咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 陜西咸陽 712000

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用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)物理測(cè)量

李耀宗 華雪俠 馬 晴

咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 陜西咸陽 712000

摘 要：介紹了用智能手機(jī)的測(cè)量工具測(cè)定地面兩點(diǎn)間距離與地面附近空氣密度的測(cè)量方法及測(cè)量結(jié)果。智能手機(jī)測(cè)量工具的測(cè)量精度，可滿足學(xué)生學(xué)習(xí)使用需求，是學(xué)生開展創(chuàng)新型、設(shè)計(jì)型物理實(shí)驗(yàn)的一種有效測(cè)量工具，通過在普通物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練課程中的多次教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；測(cè)量工具軟件；物理實(shí)驗(yàn)

隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，智能手機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了人們的日常生活，中學(xué)生、大學(xué)生幾乎人人一部。一般智能手機(jī)均配備了力、熱、聲、電、磁等多種傳感器及GPS定位系統(tǒng)，并可免費(fèi)下載相應(yīng)的測(cè)量工具軟件［1］。通過這些測(cè)量工具軟件可測(cè)量多種直測(cè)量，如：時(shí)間、長度、角度、坡度、距離、高度、面積、壓力、聲強(qiáng)級(jí)、磁感應(yīng)強(qiáng)度等，這為學(xué)生開展課外自主型的物理實(shí)驗(yàn)提供了極大的方便［1，2］。物理教師如能借助學(xué)生對(duì)智能手機(jī)的喜愛與迷戀，引導(dǎo)學(xué)生用智能手機(jī)開展一些設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型的物理實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，必將有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)分析能力及解決物理問題的能力，使智能手機(jī)成為創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的有用工具［3］。

本文介紹了我們?cè)跒槲锢韺W(xué)本科專業(yè)（師范）開設(shè)的普通物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練課程（實(shí)訓(xùn)周）中選用的兩項(xiàng)用智能手機(jī)完成的實(shí)驗(yàn)測(cè)量項(xiàng)目。通過多次教學(xué)實(shí)踐，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難度、工作量適中，測(cè)量器具方便，測(cè)量結(jié)果可靠，學(xué)生選擇率高，教學(xué)效果好。

1 地面兩點(diǎn)間距離的測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)量地面上給定兩點(diǎn)間的距離。

1.2 儀器用具

有羅盤功能的智能手機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.3.1 通過經(jīng)、緯度與海拔高度測(cè)距離

智能手機(jī)羅盤工具軟件中的經(jīng)、緯度及海拔高度數(shù)值，隨手機(jī)位置的變化而變化。根據(jù)地面兩點(diǎn)之間經(jīng)、緯度的變化量、平均緯度及海拔高度的變化量，依據(jù)地球半徑的數(shù)據(jù)，可給出地面上兩點(diǎn)間的距離?？紤]到地面的彎曲（如圖1所示），當(dāng)A，D兩點(diǎn)間距離不很大時(shí)其可表示為

其中θ表示經(jīng)度，φ表示緯度，z表示海拔高度，地球半徑R =6.37× 106m 。

圖1 地面兩點(diǎn)間的距離

1.3.2 通過地圖軟件測(cè)距離

利用手機(jī)中的GPS定位系統(tǒng)與導(dǎo)航軟件（高德、百度），通過實(shí)時(shí)指向的起點(diǎn)與終點(diǎn)可測(cè)量距離。也可通過直接在地圖中選擇起點(diǎn)與終點(diǎn)測(cè)量距離。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

（1）用手機(jī)羅盤功能測(cè)地面上給定兩點(diǎn)間距離。將手機(jī)設(shè)置中的“顯示”調(diào)為“永不”，以免屏顯自動(dòng)關(guān)閉；打開手機(jī)羅盤工具，將手機(jī)置于A點(diǎn)，記錄顯示的經(jīng)度、緯度與海拔高度；將手機(jī)移至D點(diǎn)，作同樣測(cè)量。重復(fù)測(cè)量5次，記錄數(shù)據(jù)。

（2）用手機(jī)地圖功能測(cè)地面上給定兩點(diǎn)間距離。打開手機(jī)中的地圖軟件（高德或百度）將手機(jī)置于A點(diǎn)，點(diǎn)擊右下角“更多”，再點(diǎn)擊“工具箱”，選中“測(cè)距”。點(diǎn)擊地圖中移動(dòng)箭頭所指位置（起點(diǎn)）；將手機(jī)移至D點(diǎn)再次點(diǎn)擊地圖中移動(dòng)箭頭所指位置，記錄屏顯中自動(dòng)顯示的距離。重復(fù)上述測(cè)量5次，記錄數(shù)據(jù)。若A，D兩點(diǎn)是地圖中標(biāo)志性目標(biāo)（如“十”拐角、標(biāo)定建筑物）的特定位置，亦可直接在地圖中點(diǎn)擊起點(diǎn)與終點(diǎn)，測(cè)出其距離。

1.5 數(shù)據(jù)處理與測(cè)量結(jié)果

（1）表1列出了咸陽師范學(xué)院校區(qū)東西邊界上A，D兩點(diǎn)之間距離對(duì)應(yīng)的經(jīng)度、緯度、海拔高度變化量的測(cè)量結(jié)果，并計(jì)算出了平均值。依據(jù)（1）式，距離的計(jì)算結(jié)果為（9.09± 0.21）×102m。計(jì)算時(shí)要將角度的單位轉(zhuǎn)換成弧度。用專業(yè)測(cè)距儀測(cè)量的結(jié)果為（9.103± 0.001）×102m?？梢?，用智能手機(jī)羅盤工具軟件測(cè)量的結(jié)果，其不確定度較大，但在一定精度范圍是可信的。

表1 A，D間距離的測(cè)量數(shù)據(jù)

（2）用高德地圖軟件重復(fù)測(cè)量上述A，D兩點(diǎn)間的距離為（9.11± 0.02）×102m?？梢姡玫貓D軟件測(cè)量的結(jié)果，其精度高于用羅盤工具測(cè)量的結(jié)果。實(shí)際測(cè)量中可根據(jù)精度的要求，選擇不同的測(cè)量工具。

2 地面附近空氣密度的測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)定地面附近空氣的密度。

2.2 儀器用具

可測(cè)量氣壓與海拔高度的智能手機(jī)；溫度計(jì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

2.3.1 通過測(cè)量高差與壓差測(cè)空氣密度

智能手機(jī)中的羅盤工具軟件，除可測(cè)定經(jīng)、緯度與海拔高度外，還可借助內(nèi)置的壓力傳感器測(cè)定氣壓。通過不同高度兩點(diǎn)間的高差與氣壓變化，可測(cè)量出地面附近空氣的密度。重力場中的等溫大氣壓強(qiáng)隨高度的變化規(guī)律如下：

其中，p 為高度z處的氣壓，R為氣體普適常數(shù)，T為大氣溫度，μ為空氣的摩爾質(zhì)量，g為重力加速度。當(dāng)兩點(diǎn)間海拔高度變化不大時(shí)，可得到

其中，ρ為空氣密度，即高度差不大時(shí)，可認(rèn)為空氣是均勻的，于是

依據(jù)（4）式，根據(jù)高差與對(duì)應(yīng)的壓差，即可計(jì)算出空氣密度。

2.3.2 通過測(cè)量溫度及氣壓測(cè)定空氣密度

2.4 實(shí)驗(yàn)過程

（1）選擇一高層住宅樓；打開手機(jī)羅盤工具軟件，將手機(jī)置于一樓某特定位置，記錄氣壓與海拔高度的數(shù)據(jù)；乘電梯到頂樓，將手機(jī)置于另一特定位置，記錄氣壓與海拔高度的數(shù)據(jù)；在兩個(gè)特定位置間重復(fù)測(cè)量5次，并記錄數(shù)據(jù)。

（2）用溫度計(jì)測(cè)量氣溫，選擇不同位置，重復(fù)測(cè)量5次，記錄測(cè)量結(jié)果。

2.5 數(shù)據(jù)處理與測(cè)量結(jié)果

（1）表2列出了某住宅樓1到21層2個(gè)特定位置海拔高度與氣壓的數(shù)據(jù)，計(jì)算出了高度差與氣壓差，并給出了平均值。依據(jù)（4）式，并按不確定度的計(jì)算方法，空氣密度的測(cè)量結(jié)果為1.18± 0.02 kg/m3。

表2 地面附近空氣密度的測(cè)量數(shù)據(jù)

空氣密度與海拔高度、溫度、濕度等因素有關(guān)，上述兩種方法測(cè)得的空氣密度數(shù)值基本一致，第二種方法用了干空氣的摩爾質(zhì)量，導(dǎo)致結(jié)果較大。

3 教學(xué)效果分析

為適應(yīng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要，我校于2011年修訂了物理學(xué)本科專業(yè)（師范）的培養(yǎng)方案，在原來實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，即增設(shè)了5個(gè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練周活動(dòng)，其中有3個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練周?；顒?dòng)中要求學(xué)生自己選擇題目、自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法、自己選擇儀器用具，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師只做一些適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)與幫助。到目前，普通物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練活動(dòng)經(jīng)過了對(duì)三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐。該課程的難點(diǎn)是為眾多學(xué)生設(shè)計(jì)備選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生不能按現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)教材或指導(dǎo)書去完成實(shí)驗(yàn)，而能體現(xiàn)出學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性和獨(dú)特性。本文介紹的用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)測(cè)量項(xiàng)目，經(jīng)過對(duì)三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，證明其在工作量、難易度、獨(dú)創(chuàng)性、可靠性、科學(xué)性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，得到學(xué)生的喜愛與同行的認(rèn)可。如在測(cè)量空氣的密度時(shí)，有學(xué)生用自制的U型管壓力計(jì)借助恒溫瓶的恒定壓強(qiáng)，測(cè)量不同高度對(duì)應(yīng)的氣壓變化，最終發(fā)現(xiàn)其可靠性與測(cè)量精度不如手機(jī)的羅盤工具；再如地面兩點(diǎn)間距離的測(cè)量中，當(dāng)距離的數(shù)量級(jí)為km時(shí)，專業(yè)測(cè)量方法要用到測(cè)距儀，操作非常復(fù)雜。而用地圖軟件測(cè)量的一般是水平距離，若要測(cè)量高差較大的兩點(diǎn)之間的距離，智能手機(jī)羅盤工具是不錯(cuò)的選擇。由于我們選擇的地面兩點(diǎn)是我校地理測(cè)繪專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)的測(cè)繪點(diǎn)，手機(jī)測(cè)量結(jié)果的可靠性得到了專業(yè)測(cè)量的證實(shí)。

事實(shí)上，智能手機(jī)還有很多測(cè)量功能，如顯微測(cè)量、坡度測(cè)量、聲強(qiáng)級(jí)測(cè)量、磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量等功能。充分利用智能手機(jī)的各種測(cè)量功能，設(shè)計(jì)與生活貼近的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，可是智能手機(jī)在學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)束語

智能手機(jī)幾乎人人隨身攜帶，使用十分方便，可用于多種物理量的測(cè)量。本文只介紹了智能手機(jī)羅盤工具箱中的經(jīng)度、緯度、高度、氣壓測(cè)量工具及地圖軟件的使用，雖然其測(cè)量精度不如專業(yè)儀器，但隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)的測(cè)量功能將越來越強(qiáng)大，測(cè)量精度也會(huì)不斷提升。而且，面向?qū)W生開展的各類創(chuàng)新型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，注重的是設(shè)計(jì)、方法、思維的創(chuàng)新，測(cè)量儀器的精度夠用即可，選用過于復(fù)雜的儀器，不僅會(huì)加大測(cè)試難度，也會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。所以，將智能手機(jī)當(dāng)作學(xué)習(xí)用的測(cè)量工具，充分發(fā)揮其測(cè)量功能，對(duì)學(xué)生開展自主型、創(chuàng)新型的實(shí)踐活動(dòng)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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［2］吳向東.智能手機(jī)傳感器在小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)中的應(yīng)用［J］.教育導(dǎo)刊，2014（9）:35.

［3］應(yīng)周武.實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（1）:24.

The Implementation of Physical Measurement with Smartphone

Li Yaozong， Hua Xuexia， Ma Qing
School of Physics and Electronics Engineering， Xianyang Normal University， Xianyang， 712000， China

Abstract:This paper introduces the measuring method and measuring results of determination of distance between two points on the ground and the density of air near the ground with smartphone measuring tool. The measuring accuracy of measuring tools of smartphone can meet the students learning to use， it is a kind of effective measuring tool for students in creative type， design physics experiment. Through teaching practice for many times in experimental training course， it obtain a good teaching effect.

Key words:smartphone； measuring tool software； experimental training

收稿日期：2016-01-19

作者簡介：李耀宗，本科，副教授，物理系系主任。華雪俠，碩士，講師。

基金項(xiàng)目：咸陽師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：201202016）；咸陽師范學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：201302006）；咸陽師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：200802007）