手机加速度传感器的应用—探究弹簧与刚性绳断裂时下挂重物的加速度变化

手机加速度传感器的应用—探究弹簧与刚性绳断裂时下挂重物的加速度变化

龚晓波

重庆市朝阳中学   重庆市  400700

摘要：利用智能手机中常见的传感器，借助软件sensor kinetics软件中线性加速度计功能，测量物体与弹簧的连接体在弹簧断开瞬间，物体加速度大小，加深同学们对瞬时加速度的理解与记忆。详细介绍了实验的过程，与软件的应用。

关键词：手机传感器、瞬时加速度、sensor kinetics软件

1  引言

瞬时加速度即单位时间内速度的变化量。在高中物理教学中，关于瞬时加速度的题目对于高中生而言分析困难且难理解，它主要分为两种题型：1、刚性绳模型（它的形变的发生和过程时间短，在轻绳断开瞬间，它的形变会随之改变，物体受力情况也会随之改变。）2、轻弹簧模型（在物体受力改变的瞬间，由于弹簧来不及发生形变，物体的受力情况在弹簧断开瞬间不会改变。）对于上述两种物理模型，高中生普遍难以区分并会对受力是否变化产生疑惑。如何让高中生理解并灵活运用这两种物理模型成为一大难题。

利用智能手机上sensor kinetics软件进行实验可以解决这一难题。目前，越来越多的老师尝试在物理课堂上使用智能手机帮助物理教学，例如：使用手机拍照、录像功能，为学生展示物理现象，增强课堂的趣味性；使用手机作为光源或接收源，向学生展示光学现象；利用手机上物理实验室程序，开展虚拟仿真实验等等。

2  传感器软件Sensor kinetics 软件下载及功能介绍

2.1 软件Sensor kinetics下载

    打开手机中“应用商店”软件或在浏览器中搜索“sensor”，下载并安装软件。

2.2功能介绍

    打开Sensor kinetics（如图1界面）可对加速度、磁感应强度等物理量进行测量，本次实验将会运用线性加速度计对轻弹簧模型进行实验。

图1

3  实验过程

3.1实验目的

　  探验证下挂重物的弹簧断裂后到恢复原长前，重物受到到弹力与重力两个力的作用，导致其加速度变化情况与刚性绳不同。

3.2实验器材

　  安装Sensor kinetics的带手机壳的智能手机一部，有挂钩的弹簧一个（弹性限度足够大），缓冲物（如沙袋）一个。

3.3实验步骤

　  在实验中，将手机分别用弹簧、刚性绳（用手模拟）悬挂，使其受力平衡；保证手机下落前的高度不变，由于弹簧在断开后（由手放开弹簧进行模拟）恢复原长前手机仍会受到弹力（拉力）与重力的作用，而由刚性绳在断开后（由手直接放开手机进行模拟）手机将只受重力作用，开始向下运动，从而这两种不同的掉落方式会产生时间差。重复试验，利用Sensor kinetics软件的高精度特点，我们可以测量计算出这个时间差，得出相应结论。　

（1）打开手机，选择Sensor kinetics软件，打开线性加速度计。

（2）将手机悬挂在弹簧上，手持弹簧上端，尽量使弹簧全部伸长下方放置缓冲物，使缓冲物与手机保持适当距离（本实验中为50cm）。

（3）点击开始；待手机保持静止后放手。

（4）手机掉落至缓冲物上后等待几秒，再拿起手机点击停止。

（5）在图像中找到手机掉落这一过程，放大时间轴（精确到小数点后四位），记录下手机加速度开始改变的时间点和接触缓冲物的时间点，计算出时间差后记录。

（6）手持手机置于缓冲物上方，保持与缓冲物50cm的距离，重复步骤（3）（4）（5）。

（7）再重复以上步骤两次，共获得三组实验数据。

3.4实验数据记录与处理

通过实验，我们选取了其中三组数据，记录如下：

3.5实验分析与结论

　  通过上述表格，可以得出：由弹簧悬挂的手机从相同高度掉落，所需时间比无弹簧悬挂的手机需要的时间长，即有弹簧悬挂的手机在掉落过程中，除了受重力作用外，还受另一与重力方向相反的力作用。忽略空气阻力的因素，则该力为弹簧的弹力。

　  因此，下挂重物的弹簧断裂后到恢复原长前，重物受到到弹力与重力两个力的作用。

3.6装置设计

　  基于以上实验，我们设计了如图（图2、图3）所示的实验装置。装置下方是一个铁盘，内置沙子等缓冲物，支架顶端安装电磁铁，用于控制弹簧。在无弹簧组的实验中，将用与挂手机后的弹簧长度相同的铁丝来悬挂手机，同样由电磁铁控制。将人手控制弹簧改为电磁铁控制，避免了因人手在放开过程中对弹簧、手机作用而导致的实验误差；同时将手机下落的高度固定，也避免了因下落高度不同导致的实验误差。

图2                             图3

4.结束语

在牛顿第二定律的教学中，有关瞬时加速度等问题一直是一个教学难点，主要原因在于学生刚刚上高一，对很多物理现象和物理问题不能深入理解。而“弹簧和刚性绳对与之接触的作用力突变时的瞬时加速度问题”我们不能回避，长期以来一直是中学物理教学中的易错点，亦是难点，学生难以区分两者引起的加速度变化。

通过此教具便能直接地将抽象的思维问题转化为形象、直观的数据，研究手机自由落体时，利用手机加速度变化的时间差，通过计算，便能清晰直接区分两者的变化。这不仅让学生能更好地理解此知识点，更有利于老师讲解，通过演示实验，还增加了课堂的活跃性。

参考文献：

[1]代宝新.熟练掌握规律 从容备战高考——以匀变速直线运动为例[J].中学物理教学参考,2019,(1).

[2] 张丹彤.让智能手机成为中学物理实验教学的好帮手[J].物理教师,2014,35(11):39-40.

[3] 林春丹,葛运通,成君宝,张晶晶,张万松.巧用智能手机做偏振光实验和超重失重实验[J].物理实验,2017,37(09):16-19

[4] 孙少辉.智能手机在中学物理教学中的运用[J].物理之友,2015,31(04):8-10.