利用Phyphox软件突破超重和失重教学难点问题

张万里

(安徽省宿州市第二中学,安徽 宿州 234000)

超重和失重是现实生活中常见的现象,也是学生概念容易出错的章节,很多学生会认为超重就是重力增加了、失重就是重力减小了,或者认为超重失重与物体运动方向或速度大小有关[1].究其原因是学生难以直接从运动联系力,这之间的思维跨度较大.在新课程标准的要求中为:通过实验,认识超重和失重现象.在日常教学中应该以实验探究为手段,让学生发现与讨论实验现象、分析实验数据、最终自主获得这一部分知识.

在日常教学中,教师通常采用人乘坐电梯上下楼的视频来处理,省略了探究的过程.另外,在教材中,利用人站在体重计上下蹲引入本节课,同时在后面的“思考与讨论”中展示了人在下蹲和站起的过程中力传感器的示数,说明人蹲起的过程是探究超重和失重的非常重要实验.但是人下蹲过程体重计上示数变化比较快,不方便记录数据,并且只能少数学生能真正观察到实验.后面“思考与讨论”上的图更是需要思维进一步加工处理,明白什么时候是站立状态,什么时候是下蹲、起立过程.对学生的能力要求较高,对初学者来说难以理解.

为了突破这一难题,本文借助手机自带的加速度传感器,实时显示人的加速度大小和方向,并用多机位拍摄人在体重秤上蹲起时体重秤和人蹲起过程的视频,再采用视频合成、慢放的方法,更直观地展示蹲起过程中的超重和失重现象问题.

1 手机传感器

智能手机功能越来越强大,利用智能手机可以测量光、加速度、向心加速度、弹簧振子、单摆等信息,并实时以数字或图形的形式展示出来.本实验借用手机物理工坊(Phyphox)软件,探测手机沿y轴方向(竖直方向)的加速度,并将加速度随时间的变化以图形的形式展现出来.(说明:软件可通过应用商城免费下载.)

2 实验过程

2.1 实验准备

首先找一位身体素质较好的同学,把手机用胶带绑在学生的手臂上,如图1所示,并交待学生在蹲起的过程手臂夹紧身体,这样就可以近似认为手机的运动和人重心的运动一样.用手机可以近似测出人体重心运动的加速度.

图1 左手绑上手机的同学

图2 phyphox软件界面

图3 学生站在体重计上,另一个学生录制体重计示数变化的视频

打开手机物理工坊软件,并选择加速度(不含g),这样得到的加速度就是减去重力加速度后的数据.点击图表.点击运行按钮(右上角的“三角形”按钮),显示加速度的即时变化.正值为加速度方向向上,负值为加速度方向向下.

2.2 实验过程

让该同学站在体重秤上,体重秤就会显示该同学的体重,由于实际生活中体重常用“斤”作为单位,学生对“斤”这个单位比较敏感.所以我们将体重秤的单位改为“斤”.再找两个同学分别用手机录制体重秤的示数和学生蹲起的过程.

2.3 实验图像处理

利用三个手机分别录制该同学蹲下和起立过程中不同视角的视频,分别获得蹲起过程中的姿态、体重秤示数和加速度的大小和方向数据.由于时间极短,转瞬即逝.所以三个视频都利用“剪映”软件先都慢放十倍,这样可以把整个蹲起过程的时间扩大到一分钟左右,给学生以充足的反应时间.同时将三个视频剪切在一起,同时播放学生蹲起状态、体重秤示数、加速度情况.让学生更直观地看到三者的关系.也可以有意识地引导学生先观察其中人在蹲起时的姿态和对应的体重秤示数变化,再观察体重秤示数的变化和加速度图像的联系,最后三者一起看,降低思维间的跨度,更容易理解三者之间的关系,并彻底清晰蹲起的过程中超重和失重情况.

图4为将三个视频合成在一起的图像,图像的最底层为加速度传感器上加速度的图像,正值表示加速度方向向上,负值表示加速度方向向下.图形上下起伏是因为传感器比较灵敏,并且学生也不可能完全的静止不动,所以有加速度在0附近的微小浮动.

图4 实验者静止站在体重计上时合成图像

2.4 实验现象

2.4.1下蹲过程

学生静止站在体重秤上时为137.5斤,下蹲开始状态时,如图5所示,体重秤的示数明显小于重力,人处于失重状态.同时观察到视频的最右边加速度的瞬时值,发现加速度的瞬时值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重状态.

图5 刚开始下蹲时的图像

如图6所示,学生快蹲到最低点时,体重秤的示数明显大于人的重力,人处于超重状态.同时观察到加速度的瞬时值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重状态.

图6 下蹲即将结束时的图像

2.4.2起立过程

如图7所示,学生刚起立时,体重秤的示数明显大于人的重力,人处于超重状态[2].同时观察到加速度的瞬时值接近+10 m/s2.即加速度方向向上,表示超重状态.

图7 刚开始起立时的图像

如图8所示,起立到将要站直身体时,体重秤的示数明显小于重力,人处于失重状态.同时观察到加速度的瞬时值接近-10 m/s2.即加速度方向向下,表示失重状态.

图8 即将站直时的图像

2.5 实验数据处理与结论

为了更清晰地展示超重失重与什么因素有关,可以设计表格,让学生根据视频中获得的数据填入表格中,再分析数据:

表1 蹲起中的超重与失重记录表

由以上分析可知,人在下蹲的过程中先失重再超重,对应加速度方向先向下再向上;起立的过程中先超重再失重,对应的加速度方向先向上再向下.由此很轻易地得出:超重与失重并不是物体的重力增加或者减小了,更是与速度大小无关;仅仅与物体的加速度方向有关.

3 实施建议

课堂教学时,可以准备一个带蓝牙的体重计,可以在手机上实时显示体重计上的示数.首先让学生猜测一下,人在蹲起的过程中体重计的示数有怎样的变化,然后选一个男生上台演示在体重计上的蹲起,这时将手机屏幕投屏到多媒体上,让所有学生看到示数的变化,从而引起学生极大的学习兴趣.这时学生会看到体重计上示数是有变化的,但是变化太快一下子不能反应过来,由此引出提前准备好的慢放视频,让学生们对照视频填写数据记录表(可以在关键点时暂停一下,给学生时间记录),并让学生间讨论,得出结论.

利用该实验有如下优点:

(1)将学生参与实验的门槛大大降低了,学生可以在家里重复实验,学生的体验性特别好.

(2)通过现场演示,充分调动了学生的积极性;速度,加速度等信息都可以直接找到,省略了学生从速度到加速度的思维过程,可以直接分析超失重与加速度的关系,大大降低了学生学习本节知识的门槛.

(3)将人蹲起过程中枯燥繁琐的数字、逻辑推理转化为了更简单易懂的图形.将转瞬即逝、不便记录的难题,通过视频慢放并剪辑在一起实现新突破.