鄒新政

摘? ?要：文章利用新技術(shù)——高亮度感光材料和手機(jī)內(nèi)置傳感器制作物理教學(xué)用具，詳盡地闡述了這些教具的設(shè)計(jì)背景、制作過程、教學(xué)過程等。

關(guān)鍵詞：高中物理;自制教具;內(nèi)置傳感器;感光材料

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0054-2

科學(xué)探究中的求證環(huán)節(jié)，是切實(shí)解決問題、驗(yàn)證猜想的具體落點(diǎn)，針對某一問題的猜想，來設(shè)計(jì)探究方案或驗(yàn)證方案，能夠鍛煉學(xué)生和教師的綜合能力。這些能力首先是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，要求理論基礎(chǔ)過硬。其次是動(dòng)手實(shí)踐的能力，再好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也要落實(shí)到實(shí)踐操作中。這也是目前我國中學(xué)生亟待提升的能力之一。

1? ? 利用感光材料制作物理教具

高中階段，有很多需要將運(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來的實(shí)驗(yàn)，比如自由落體、平拋運(yùn)動(dòng)、探究小車的加速度與外力和質(zhì)量的關(guān)系等實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的教具或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)大多較為繁瑣，比如自由落體常常采用頻閃照相的方式，頻閃照相需要的拍攝環(huán)境、拍攝裝備都不是一線教師易于獲得的。

本文提出了一種利用感光材料記錄運(yùn)動(dòng)軌跡的新技術(shù)，它集成了頻閃照相、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等傳統(tǒng)教具的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率。相比頻閃照相，操作更加方便，不需要苛刻的拍攝環(huán)境，不需要額外對多張照片進(jìn)行技術(shù)合成，就能直接顯示運(yùn)動(dòng)軌跡;相比打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，減少了紙帶與限位孔摩擦帶來的誤差，避免了傳統(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器冗雜的實(shí)驗(yàn)步驟和誤差分析，可以很好地加深學(xué)生對打點(diǎn)計(jì)時(shí)器主要原理的理解。

1.1? ? 制作方法

激光照射在高亮感光變色粉顏料上，照射光斑上的變色粉會(huì)明顯變亮，能夠有效實(shí)現(xiàn)對光斑進(jìn)行探測、跟蹤、校對和識別，具有使用壽命長、效率高等特點(diǎn)。并且感光材料在失去激光照射后，光斑處變色粉的亮度又會(huì)重新恢復(fù)初始狀態(tài)，不同的材料光斑留跡的恢復(fù)時(shí)間是不同的，本文大致將其分為短時(shí)留跡材料和長時(shí)留跡材料。具體制作方法是，將高亮感光變色粉顏料與適量的水混合，涂抹在紙張上，待水晾干后，便得到了感光板。同時(shí)，還需制作一個(gè)激光頻閃光源，用單片機(jī)編程可以控制激光閃爍的頻率。

1.2? ? 教學(xué)過程

以探究小車的加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)?zāi)M教學(xué)過程，該實(shí)驗(yàn)中，感光板替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器中的紙帶，激光頻閃光源替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。將激光頻閃光源置于小車中，長條形的感光板放置在小車運(yùn)動(dòng)方向的側(cè)邊位置，保證感光板與小車運(yùn)動(dòng)方向平行，以免光斑距離發(fā)生光學(xué)變形，影響數(shù)據(jù)處理。其效果如圖1所示。

2? ? 利用手機(jī)內(nèi)置傳感器制作高中物理教具

當(dāng)前，智能手機(jī)普及程度越來越高，智能手機(jī)具備的功能也愈加強(qiáng)大。手機(jī)內(nèi)置了多種傳感器，可以監(jiān)控手機(jī)的加速度、角度、所處環(huán)境的光強(qiáng)、氣壓等，但是這些參數(shù)一般是無法直接從手機(jī)原生軟件上讀取的，我們可以借助第三方APP實(shí)現(xiàn)讀取功能。本文以蘋果手機(jī)ios系統(tǒng)上的一款手機(jī)傳感器作為講解案例，軟件名稱是Phyphox。筆者測試了目前ios系統(tǒng)上大多數(shù)免費(fèi)的傳感器APP，這是界面最為簡潔且支持中文的軟件。安卓系統(tǒng)也有類似軟件。筆者推薦一款名稱為科學(xué)日志的APP，利用手機(jī)替代DIS傳感器可以大大降低實(shí)驗(yàn)操作成本，學(xué)生自己也可以自行設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)。

Phyphox軟件功能十分強(qiáng)大，其內(nèi)置了力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等若干個(gè)傳感器模塊。本文介紹了幾種高中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很少做的幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，來展示Phyphox軟件的使用過程，凸顯手機(jī)傳感器軟件的巨大優(yōu)勢。

案例1：演示下蹲、起立過程中超重、失重問題的加速度的變化情況

Phyphox軟件的加速度計(jì)默認(rèn)測量三個(gè)維度的加速度，案例1中，筆者將手機(jī)豎直放置，容易觀察豎直方向的加速度變化情況。觀察Y軸線性加速度隨著時(shí)間的變化圖，可以明顯地看出下蹲和起立過程豎直方向加速度的情況（圖2）。即，下蹲過程中先加速下蹲，再減速下蹲，前半段是失重，后半段是超重;同樣的，起立過程中，先加速起立，再減速起立，前半段是超重，后半段是失重。

案例2：演示電流的磁效應(yīng)

19世紀(jì)，物理學(xué)家奧斯特給直導(dǎo)線通電，發(fā)現(xiàn)放置在通電導(dǎo)線下的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，從而意識到通電導(dǎo)線周邊會(huì)產(chǎn)生磁場。筆者使用手機(jī)內(nèi)置傳感器重復(fù)類似實(shí)驗(yàn)，將手機(jī)固定在直導(dǎo)線附近某一位置，利用Phyphox軟件的磁力計(jì)工具，接通電源后，可以明顯地看到通電導(dǎo)線周邊的磁場強(qiáng)度變化，增大或減小電流磁力計(jì)示數(shù)不同，當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，磁力計(jì)示數(shù)保持不變（如圖3）。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 王柏廬）