现代信息化技术加持下高中物理实验设计与实践研究

梁鹏

现代信息化技术加持下，如何利用智能手机传感器进行高中物理实验设计与实践研究是一项重要的教学工作内容。通过对智能手机传感器的应用，可实现对物理实验数据的实时采集和分析，提高实验的效率和准确性。通过实验设计和实践研究，验证了智能手机传感器在高中物理实验中的可行性和有效性。智能手机传感器作为一种便捷、经济、易操作的实验工具，为高中物理实验的教学提供了新的可能性，对于推动高中物理实验教学的创新和发展具有重要意义。

一、研究的背景

（一）智能手机的迅速普及

现阶段，智能手机在我国高中生群体中迅速普及。高中生普遍能够熟练应用智能手机，为应用智能手机传感器开展高中物理教学奠定了良好的基础。

（二）各种教学App的兴起

众多物理教学App的出现能帮助教师带领学生对各种物理实验进行有效模拟。同时，App还在不断地改进和更新，研发出了各种模拟实验场景，为学生带来更好的体验，更好地帮助高中生掌握复杂的物理知识点。

（三）学生的迫切需求

高中物理学的知识点在课改后更加丰富，考查方式更加多样，与生活的联系也更加紧密。所以，学生迫切需要一种新型有效、易于操作、更为直观的实验方式。合理使用各类物理教学App能帮助教师解决学生的学习痛点。学生通过简单的操作，就可以观察到实验效果，理解复杂的物理原理，减轻学习负担。

二、智能手机传感器简要介绍

（一）重力傳感器

重力传感器是将被测量物体的重力变化转变为电信号，从而影响手机屏幕图像方向等功能的一种元器件，对于力学方面知识的教学具有一定帮助。日常生活中手机屏幕横竖状态的改变就是此类传感器应用的具体体现。

（二）光线传感器

光线传感器是将光能转换成电信号的一种元器件。这种感应器可以自动感应外界环境的亮度，从而调节手机屏幕的亮度。在日常生活中，智能手机自动调节屏幕亮度的功能就是应用了这一传感器的缘故。

（三）温度传感器

智能手机中的温度传感器是一种用于测量环境温度的传感器。它通常位于手机的主板或其他适当位置，并通过内置的电路和软件来测量周围环境的温度。温度传感器可以帮助用户了解当前环境的温度情况，以便作出相应的调整。例如：在炎热的夏天，温度传感器可以提醒用户注意防暑降温；在寒冷的冬天，它可以提醒用户注意保暖。此外，温度传感器还可以用于监测手机的温度，以防止温度过高损坏手机。总之，温度传感器是智能手机中一个重要的功能，为手机提供有用的环境信息，进而保护手机。

（四）压力传感器

智能手机中的压力传感器是一种能够测量外部压力的装置。它通常由微小的薄膜或弹簧组成。当外部施加压力时，传感器会产生电信号。这些信号可以被智能手机的处理器解读，并用于各种应用。压力传感器在智能手机中有多种用途。首先，它用于测量用户对手机屏幕的按压力度，从而实现触摸屏的多点触控功能。这使得用户可以通过不同的按压力度实现不同的操作，例如轻按、重按或长按。此外，压力传感器还用于检测用户的手指位置和手势。通过测量手指对手机背面的压力分布，智能手机可以识别用户的手指位置，从而实现更精确的手势控制。压力传感器还可以用于健康监测应用。例如，将手指轻轻放在智能手机的压力传感器上，可以测量用户的脉搏和血压，并提供相关的健康数据。

三、智能手机传感器实验应用

（一）重力传感器在重力实验方面的应用

1.实验原理

当一个滑块从静止状态往下滑动时，可以得知其会做加速运动。根据牛顿第二定律，在明确滑块本身的质量、重力加速度、滑块本身的加速度、斜面倾斜角度的前提下，可以计算出滑块表面和斜坡表面的摩擦因数。因为这一公式的复杂性，所以一般的实验用具很难进行准确的测算，但是通过智能手机上的重力传感器，可以精准地对其进行测量。

2.实验装置

实验需要一块足够长的木板、有重力传感器和加速度传感器的智能手机一部、固定手机的支架及小滑块。

3.实验步骤

（员）打开手机，检查手机电量，避免手机在实验中突然关机。

（圆）用手机测量斜面的倾斜角度。本次实验的倾斜角度为5毅，在25毅到45毅之间的斜面上，滑块的加速度大小要被准确地予以测量。

（猿）调节木板到指定的角度，将手机和滑块固定在一起，保证其牢固性。打开手机的加速度传感器。将滑块放在木板上，保证滑块和木板是紧密贴合的。同时，标记好手机的位置。

（源）让滑块和手机整体向下滑，当快要到达木板尾部时，将滑块抽出，并及时暂停传感器的记录。

（缘）按照第（圆）步的要求逐渐改变相应的倾斜角度，重复第（猿）步和第（源）步，并将相应数据予以详细记录。

4.讨论结论

将相应的数据整理成表格，并将数据连线，观察线条的走向趋势，计算出相应的动摩擦因数和相关系数。将得到的动摩擦因数和公认值加以比较，确定实验结果的准确性。如果两者的误差较小，在依0.05以内，则可以接受，本次实验成功。

（二）光线传感器在光学实验方面的应用

1.实验原理

本次实验以泊松亮斑为例。根据教材介绍，单色光照到小圆盘上的时候，会在后方的投影屏上出现同心圆形状的明暗相间的条纹。同时，可以发现一个非常明亮的小亮点在同心圆的中心闪动，就是泊松亮斑。

2.实验装置

本次实验需要智能手机、激光笔、凹透镜、小钢珠、磁铁、干净的墙面。

3.实验步骤

（员）将小钢珠用磁铁固定好，并保证凹透镜和磁铁呈直线摆放。同时，保证此条直线和后方的墙面呈垂直状态。

（圆）将激光笔打开，让其发出的光线穿过凹透镜后，发散成较大的光束。学生要沿着光的方向寻找到一个直径略大于钢珠的位置，然后移动手机。

（猿）打开手机的App，建立一个新的实验项目。进入实验项目后，将手机的光线传感器移动到项目中，并打开。同时，选择采集数据的频率。

（源）将手机的前置摄像头对准光斑，在界面中查看相应的图像。通过图像观察条纹和小亮点。

4.讨论结论

通过绘制亮度随时间变化的图像，可分析出光度的强弱呈现出交替变化的特性。联系课本知识，可以发现图像的形状由数个波峰、波谷组成，从而进一步明确了光的波动特性。

（三）温度传感器在热学实验方面的应用

1.实验原理

气体的体积不断缩小，使得分子势能降低，导致内能增加，最终在平均动能增加的前提下，气体温度进一步升高。如果不采用智能手机传感器，这种温度的变化很难被一般的实验仪器监测到。手机中的温度传感器因其对温度变化的灵敏度较高，可以将温度变化转换成可观察的输出信息，从而开展相关实验。学生可以通过获取准确的温度变化值，绘制温度变化曲线图，从而得出相应的实验结论。

2.实验装置

本实验用到智能手机1部、体积不同的注射器2只、金属支架2个（用来固定注射器）以及温度传感器金属探测器员个。

3.实验步骤

（员）选择体积较小的注射器，将其固定在支架上，注意检查是否牢固。将金属探测器与智能手机相连接，注意连接的紧密度，避免在实验的过程中脱落。启动手机中的温度传感器。

（圆）将金属探针插入注射器当中。在这个过程中，注意接口的闭合性。要事先对活塞的位置进行详细标记。用手迅速推动注射器活塞，此时，用温度传感器记录温度的变化情况。

（猿）选择体积较大的注射器，在和体积较小的注射器一样的位置处推动注射器活塞，注意推动的力度要和第（圆）步的力度相一致，并用温度传感器记录温度的变化情况。

（源）待温度传感器的温度恢复后，从标记的位置缓慢地推动活塞，并再次用温度传感器对温度的变化进行记录。

（缘）为保证实验数据的准确性，重复上面的源个步骤，反复猿次，获得猿组数据。

4.讨论结论

通过将获得的数据绘制成曲线图，可以看到温度随时间变化的图像。随机选择几个时刻的数值填列到表格之中。通过对表格和图像的综合分析，可以得出结论：随着注射器活塞的推动，温度有所上升。此结论反映出的原理是：物体做功将导致温度增加，且物体做功的速度越快，温度上升得越快。

（四）电磁场传感器在电磁学方面的应用

1.实验原理

任何带电的物體周围都存在电场，任何放入电场的电荷都会受到电场力的影响。同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引。电场力的强弱很难被观测到，为此可以通过绘制有方向的曲线，并通过曲线的密集程度表示电场力的大小。但是，电场线是一种人为假想的线条，实际中并不存在，不能被观察和感知。为此，可以通过手机中的实验室功能，向学生展示电场中电荷的分布情况。同时，在模拟电场中放入电荷，就可以对其动能大小、速度大小进行详细分析。

2.实验装置

需要一部带有仿真实验室App的智能手机。

3.实验步骤

（员）打开相应的App，选择电磁实验。在虚拟实验室中，建立相应的实验项目，可以看到有正电荷、负电荷、正检验电荷、负检验电荷可供选择。

（圆）选择一个正电荷对其进行全面的研究。将正电荷放入仿真实验桌面上，当电场线出现时，点击正电荷。这时，记录相应的数据：速度、动能、质量、电荷量。对电荷量的大小进行调节，观察电场线的变化，对变化进行详细的记录。再选择一个正的试电荷，将其靠近场源电荷，观察其运动轨迹并对试电荷的速度、时间、图像进行详细的记录。

（猿）清理实验桌面，选择一个正电荷、一个负电荷将其放到桌面上。调节两个电荷的电量直到两者电量相同，观察正、负电荷电场线的分布情况，并对其进行详细的记录。

（源）选择正的试探电荷，将其在两个等量异种电荷的电场中释放，观察其运动轨迹并进行记录。

（缘）对上述（猿）和（源）的记录进行系统的梳理，并绘制相应的图像，依据图像准备分析。

（远）清理桌面，选择等量的负电荷，观察两个电荷的电场线分布情况并进行记录。将一个正电荷放入电场中，观察其运动轨迹，并对其实验图像进行分析。

4.讨论结论

通过实验得出结论，电场线越密集的地方电场强度越大，并且场源正电荷是向外发射的。同时，通过系统的观察可以看出越靠近场源电荷，电场线越密集。

四、现代信息化技术应用于高中物理实验的探究结论

（一）有利于将抽象的物理知识形象化

将现代信息化技术应用于高中物理教学，有利于将抽象的物理学知识形象化地展示出来。学生通过观察软件展示出的动画，对于各种抽象的知识点有了更深入的了解。同时，通过手机传感器的应用，可以加深学生对知识点的印象，有利于提高学生的学习效率。

（二）有利于培养学生自身的探索能力

手机传感器演示高中物理知识的过程，更利于学生自主探索深奥的物理知识。通过自我设计实验、完成实验、总结结论、联系理论知识，有利于培养学生的自主探究精神。同时，通过对实验条件的不断改变，可以让学生将知识和自然环境、生活场景进行有机结合，有利于知识的应用。除此之外，因为学生掌握了一套可以通过智能手机研究物理的方法，使得高中生可以打破时空的限制，随时随地对感兴趣的物理现象和没有掌握的知识点进行反复研究，有利于培养学生的探究精神。这对于学生日后从事更有深度的研究学习具有重要的意义。

五、结语

现代信息化技术应用于高中物理实验是未来物理教学的新方向，其本身涉及很多需要研究的新领域。这需要广大教师和教学研究工作者共同努力，从理论和实践两个角度出发，推动现代信息化技术背景下智能手机在高中物理实验中的有效应用。最终目的是借助智能手机这一新生代的教学工具开启我国高中物理教学的新篇章。

注：本文系甘肃省教育科学“十四五”规划2022年度一般课题“现代信息化技术加持下高中物理实验设计与实践研究———以智能手机传感器应用为例”（课题编号：GS〔2022〕GHB0421）的研究成果。