現代信息化技術加持下高中物理實驗設計與實踐研究

梁鵬

現代信息化技術加持下，如何利用智能手機傳感器進行高中物理實驗設計與實踐研究是一項重要的教學工作內容。通過對智能手機傳感器的應用，可實現對物理實驗數據的實時采集和分析，提高實驗的效率和準確性。通過實驗設計和實踐研究，驗證了智能手機傳感器在高中物理實驗中的可行性和有效性。智能手機傳感器作為一種便捷、經濟、易操作的實驗工具，為高中物理實驗的教學提供了新的可能性，對于推動高中物理實驗教學的創新和發展具有重要意義。

一、研究的背景

（一）智能手機的迅速普及

現階段，智能手機在我國高中生群體中迅速普及。高中生普遍能夠熟練應用智能手機，為應用智能手機傳感器開展高中物理教學奠定了良好的基礎。

（二）各種教學App的興起

眾多物理教學App的出現能幫助教師帶領學生對各種物理實驗進行有效模擬。同時，App還在不斷地改進和更新，研發出了各種模擬實驗場景，為學生帶來更好的體驗，更好地幫助高中生掌握復雜的物理知識點。

（三）學生的迫切需求

高中物理學的知識點在課改后更加豐富，考查方式更加多樣，與生活的聯系也更加緊密。所以，學生迫切需要一種新型有效、易于操作、更為直觀的實驗方式。合理使用各類物理教學App能幫助教師解決學生的學習痛點。學生通過簡單的操作，就可以觀察到實驗效果，理解復雜的物理原理，減輕學習負擔。

二、智能手機傳感器簡要介紹

（一）重力傳感器

重力傳感器是將被測量物體的重力變化轉變為電信號，從而影響手機屏幕圖像方向等功能的一種元器件，對于力學方面知識的教學具有一定幫助。日常生活中手機屏幕橫豎狀態的改變就是此類傳感器應用的具體體現。

（二）光線傳感器

光線傳感器是將光能轉換成電信號的一種元器件。這種感應器可以自動感應外界環境的亮度，從而調節手機屏幕的亮度。在日常生活中，智能手機自動調節屏幕亮度的功能就是應用了這一傳感器的緣故。

（三）溫度傳感器

智能手機中的溫度傳感器是一種用于測量環境溫度的傳感器。它通常位于手機的主板或其他適當位置，并通過內置的電路和軟件來測量周圍環境的溫度。溫度傳感器可以幫助用戶了解當前環境的溫度情況，以便作出相應的調整。例如：在炎熱的夏天，溫度傳感器可以提醒用戶注意防暑降溫；在寒冷的冬天，它可以提醒用戶注意保暖。此外，溫度傳感器還可以用于監測手機的溫度，以防止溫度過高損壞手機?？傊?，溫度傳感器是智能手機中一個重要的功能，為手機提供有用的環境信息，進而保護手機。

（四）壓力傳感器

智能手機中的壓力傳感器是一種能夠測量外部壓力的裝置。它通常由微小的薄膜或彈簧組成。當外部施加壓力時，傳感器會產生電信號。這些信號可以被智能手機的處理器解讀，并用于各種應用。壓力傳感器在智能手機中有多種用途。首先，它用于測量用戶對手機屏幕的按壓力度，從而實現觸摸屏的多點觸控功能。這使得用戶可以通過不同的按壓力度實現不同的操作，例如輕按、重按或長按。此外，壓力傳感器還用于檢測用戶的手指位置和手勢。通過測量手指對手機背面的壓力分布，智能手機可以識別用戶的手指位置，從而實現更精確的手勢控制。壓力傳感器還可以用于健康監測應用。例如，將手指輕輕放在智能手機的壓力傳感器上，可以測量用戶的脈搏和血壓，并提供相關的健康數據。

三、智能手機傳感器實驗應用

（一）重力傳感器在重力實驗方面的應用

1.實驗原理

當一個滑塊從靜止狀態往下滑動時，可以得知其會做加速運動。根據牛頓第二定律，在明確滑塊本身的質量、重力加速度、滑塊本身的加速度、斜面傾斜角度的前提下，可以計算出滑塊表面和斜坡表面的摩擦因數。因為這一公式的復雜性，所以一般的實驗用具很難進行準確的測算，但是通過智能手機上的重力傳感器，可以精準地對其進行測量。

2.實驗裝置

實驗需要一塊足夠長的木板、有重力傳感器和加速度傳感器的智能手機一部、固定手機的支架及小滑塊。

3.實驗步驟

（員）打開手機，檢查手機電量，避免手機在實驗中突然關機。

（圓）用手機測量斜面的傾斜角度。本次實驗的傾斜角度為5毅，在25毅到45毅之間的斜面上，滑塊的加速度大小要被準確地予以測量。

（猿）調節木板到指定的角度，將手機和滑塊固定在一起，保證其牢固性。打開手機的加速度傳感器。將滑塊放在木板上，保證滑塊和木板是緊密貼合的。同時，標記好手機的位置。

（源）讓滑塊和手機整體向下滑，當快要到達木板尾部時，將滑塊抽出，并及時暫停傳感器的記錄。

（緣）按照第（圓）步的要求逐漸改變相應的傾斜角度，重復第（猿）步和第（源）步，并將相應數據予以詳細記錄。

4.討論結論

將相應的數據整理成表格，并將數據連線，觀察線條的走向趨勢，計算出相應的動摩擦因數和相關系數。將得到的動摩擦因數和公認值加以比較，確定實驗結果的準確性。如果兩者的誤差較小，在依0.05以內，則可以接受，本次實驗成功。

（二）光線傳感器在光學實驗方面的應用

1.實驗原理

本次實驗以泊松亮斑為例。根據教材介紹，單色光照到小圓盤上的時候，會在后方的投影屏上出現同心圓形狀的明暗相間的條紋。同時，可以發現一個非常明亮的小亮點在同心圓的中心閃動，就是泊松亮斑。

2.實驗裝置

本次實驗需要智能手機、激光筆、凹透鏡、小鋼珠、磁鐵、干凈的墻面。

3.實驗步驟

（員）將小鋼珠用磁鐵固定好，并保證凹透鏡和磁鐵呈直線擺放。同時，保證此條直線和后方的墻面呈垂直狀態。

（圓）將激光筆打開，讓其發出的光線穿過凹透鏡后，發散成較大的光束。學生要沿著光的方向尋找到一個直徑略大于鋼珠的位置，然后移動手機。

（猿）打開手機的App，建立一個新的實驗項目。進入實驗項目后，將手機的光線傳感器移動到項目中，并打開。同時，選擇采集數據的頻率。

（源）將手機的前置攝像頭對準光斑，在界面中查看相應的圖像。通過圖像觀察條紋和小亮點。

4.討論結論

通過繪制亮度隨時間變化的圖像，可分析出光度的強弱呈現出交替變化的特性。聯系課本知識，可以發現圖像的形狀由數個波峰、波谷組成，從而進一步明確了光的波動特性。

（三）溫度傳感器在熱學實驗方面的應用

1.實驗原理

氣體的體積不斷縮小，使得分子勢能降低，導致內能增加，最終在平均動能增加的前提下，氣體溫度進一步升高。如果不采用智能手機傳感器，這種溫度的變化很難被一般的實驗儀器監測到。手機中的溫度傳感器因其對溫度變化的靈敏度較高，可以將溫度變化轉換成可觀察的輸出信息，從而開展相關實驗。學生可以通過獲取準確的溫度變化值，繪制溫度變化曲線圖，從而得出相應的實驗結論。

2.實驗裝置

本實驗用到智能手機1部、體積不同的注射器2只、金屬支架2個（用來固定注射器）以及溫度傳感器金屬探測器員個。

3.實驗步驟

（員）選擇體積較小的注射器，將其固定在支架上，注意檢查是否牢固。將金屬探測器與智能手機相連接，注意連接的緊密度，避免在實驗的過程中脫落。啟動手機中的溫度傳感器。

（圓）將金屬探針插入注射器當中。在這個過程中，注意接口的閉合性。要事先對活塞的位置進行詳細標記。用手迅速推動注射器活塞，此時，用溫度傳感器記錄溫度的變化情況。

（猿）選擇體積較大的注射器，在和體積較小的注射器一樣的位置處推動注射器活塞，注意推動的力度要和第（圓）步的力度相一致，并用溫度傳感器記錄溫度的變化情況。

（源）待溫度傳感器的溫度恢復后，從標記的位置緩慢地推動活塞，并再次用溫度傳感器對溫度的變化進行記錄。

（緣）為保證實驗數據的準確性，重復上面的源個步驟，反復猿次，獲得猿組數據。

4.討論結論

通過將獲得的數據繪制成曲線圖，可以看到溫度隨時間變化的圖像。隨機選擇幾個時刻的數值填列到表格之中。通過對表格和圖像的綜合分析，可以得出結論：隨著注射器活塞的推動，溫度有所上升。此結論反映出的原理是：物體做功將導致溫度增加，且物體做功的速度越快，溫度上升得越快。

（四）電磁場傳感器在電磁學方面的應用

1.實驗原理

任何帶電的物體周圍都存在電場，任何放入電場的電荷都會受到電場力的影響。同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引。電場力的強弱很難被觀測到，為此可以通過繪制有方向的曲線，并通過曲線的密集程度表示電場力的大小。但是，電場線是一種人為假想的線條，實際中并不存在，不能被觀察和感知。為此，可以通過手機中的實驗室功能，向學生展示電場中電荷的分布情況。同時，在模擬電場中放入電荷，就可以對其動能大小、速度大小進行詳細分析。

2.實驗裝置

需要一部帶有仿真實驗室App的智能手機。

3.實驗步驟

（員）打開相應的App，選擇電磁實驗。在虛擬實驗室中，建立相應的實驗項目，可以看到有正電荷、負電荷、正檢驗電荷、負檢驗電荷可供選擇。

（圓）選擇一個正電荷對其進行全面的研究。將正電荷放入仿真實驗桌面上，當電場線出現時，點擊正電荷。這時，記錄相應的數據：速度、動能、質量、電荷量。對電荷量的大小進行調節，觀察電場線的變化，對變化進行詳細的記錄。再選擇一個正的試電荷，將其靠近場源電荷，觀察其運動軌跡并對試電荷的速度、時間、圖像進行詳細的記錄。

（猿）清理實驗桌面，選擇一個正電荷、一個負電荷將其放到桌面上。調節兩個電荷的電量直到兩者電量相同，觀察正、負電荷電場線的分布情況，并對其進行詳細的記錄。

（源）選擇正的試探電荷，將其在兩個等量異種電荷的電場中釋放，觀察其運動軌跡并進行記錄。

（緣）對上述（猿）和（源）的記錄進行系統的梳理，并繪制相應的圖像，依據圖像準備分析。

（遠）清理桌面，選擇等量的負電荷，觀察兩個電荷的電場線分布情況并進行記錄。將一個正電荷放入電場中，觀察其運動軌跡，并對其實驗圖像進行分析。

4.討論結論

通過實驗得出結論，電場線越密集的地方電場強度越大，并且場源正電荷是向外發射的。同時，通過系統的觀察可以看出越靠近場源電荷，電場線越密集。

四、現代信息化技術應用于高中物理實驗的探究結論

（一）有利于將抽象的物理知識形象化

將現代信息化技術應用于高中物理教學，有利于將抽象的物理學知識形象化地展示出來。學生通過觀察軟件展示出的動畫，對于各種抽象的知識點有了更深入的了解。同時，通過手機傳感器的應用，可以加深學生對知識點的印象，有利于提高學生的學習效率。

（二）有利于培養學生自身的探索能力

手機傳感器演示高中物理知識的過程，更利于學生自主探索深奧的物理知識。通過自我設計實驗、完成實驗、總結結論、聯系理論知識，有利于培養學生的自主探究精神。同時，通過對實驗條件的不斷改變，可以讓學生將知識和自然環境、生活場景進行有機結合，有利于知識的應用。除此之外，因為學生掌握了一套可以通過智能手機研究物理的方法，使得高中生可以打破時空的限制，隨時隨地對感興趣的物理現象和沒有掌握的知識點進行反復研究，有利于培養學生的探究精神。這對于學生日后從事更有深度的研究學習具有重要的意義。

五、結語

現代信息化技術應用于高中物理實驗是未來物理教學的新方向，其本身涉及很多需要研究的新領域。這需要廣大教師和教學研究工作者共同努力，從理論和實踐兩個角度出發，推動現代信息化技術背景下智能手機在高中物理實驗中的有效應用。最終目的是借助智能手機這一新生代的教學工具開啟我國高中物理教學的新篇章。

注：本文系甘肅省教育科學“十四五”規劃2022年度一般課題“現代信息化技術加持下高中物理實驗設計與實踐研究———以智能手機傳感器應用為例”（課題編號：GS〔2022〕GHB0421）的研究成果。