传感器在实验中的可视化应用的案例分析
作者：杨光明
来源：《新教育·综合版》 2020年第2期
杨光明
向心加速度和向心力是高中物理教学的重点内容，同时也是教学的难点。人教版教材中有关向心加速度和向心力在新老教材中的编写有较大差异。2004年版本中，是在必修2第五章《曲线运动》第5节《向心加速度》和第6节《向心力》；2019年版本中，是在必修2第六章《圆周运动》第2节《向心力》和第3节《向心加速度》。通过对比，编排的顺序很显然发生了变化，也说明编排者在处理这一问题上的思路变化。
随着新一轮课程的改革，物理的核心素养必须在教学中落实，那么关于通过实验来培养学生的科学探究素养必须贯彻到教学中，这就对物理实验教学提出了新的更高要求。而关于向心加速度和向心力这一部分中，老教材中没有实验的设置，新教材中只做了向心力的定性探究，实验装置如图1所示。另外我校还有两套器材也可以进行向心力演示，分别如图2和图3所示，但这些设备都只能定性分析，实际使用过程中操作不方便，实验现象不明显，且无具体数据进行定量分析，所以结论缺乏说服力。因此我根据身边现有的条件，设计和制作了一套装置，来定量探究向心加速度和向心力。实验装置如图4所示。
一、实验器材及功能
所需器材有：手机、电脑、旋转支架、手机夹、拉力传感器、光电门传感器、有线数据采集器、无线数据采集器、小车、钩码、配重锤、螺丝、数据线，另外软件有DIS系统软件、phyphox系统软件。
功能简介：横板固定于转轴上，可以自由转动，横板的一侧打有若干小孔，用于穿过螺丝固定手机架，并将手机固定在手机架上采集数据。横板的另一侧刻有凹槽，并用铅笔的笔芯对其反复打磨，以确保相对光滑；小车的车轮恰好置于凹槽中，确保旋转时不会发生侧滑，并用细线与固定在转轴上的拉力传感器相连，拉力传感器与小车同步旋转，即可测出小车做圆周运动所需的向心力大小。另外光电门传感器放置在横板末端处，记录横板通过光电门的时间；横板上标有刻度，用于方便确定物体做圆周运动的半径；传感器采集的数据可以同步传输给电脑系统，方便观察、处理和分析。
二、实验原理
本实验装置可以分成两个部分，各自可以分别独立完成向心加速度和向心力的相关实验，同时实验结果又可以相互佐证，它们分别为：
1.利用手机传感器探究向心加速度的定量关系：将手机固定在旋转支架的横板上，随横板一起做圆周运动，手机中的陀螺仪计算角速度ω ，手机中的加速度计测得向心加速度a，并绘制a—ω的图形和a—ω2图形，就可以非常直观地得出a与ω的定量关系式。改变手机的位置，即手机旋转的半径，重复实验，得到不同a与ω的定量关系式，从而可以分析出向心加速度与半径的关系。这一实验方案，可以分析研究向心加速度与角速度和半径的定量关系。
2.探究向心力的定量关系：小车在拉力的作用下随旋转支架一起做圆周运动，利用拉力传感器测出向心力，利用光电门测遮光时间，并且根据遮光处横板的宽度和转动的半径，换算成角速度，计算公式为ω=d/tr，这样可以根据事先测得的数据在系统完成设置，实验过程中系统会根据测出遮光时间自动计算角速度ω，以及角速度的平方ω2，再根据数据由系统绘制F—ω2图像，得出F与ω的函数关系式，即可得出F与ω的定量关系；改变小车的质量，以及改变运动半径，同样得出相应的F与ω的函数关系式，通过对比分析不同不同条件下的函数关系式，即可得出F与质量m和半径r的定量关系。
三、实验操作和数据图像
1.利用phyphox系统定量探究向心加速度与角速度和半径的关系。
（1）打开phyphox系统，点击向心加速度，进入向心加速度的界面，设置定时运行并允许远程控制，这样可以根据远程控制自动生成的网址连接电脑，在电脑的界面上进行操作，采集的数据可以同步传输到电脑上。
（2）将手机固定在支架上，记录所在位置的半径，后让支架快速旋转起来，再撤去外力，撤去外力后再进行数据记录，目的是保证转动的平顺性，及数据的连续性。
（3）系统根据延时设置或直接在电脑的界面上点击记录标识，系统自动完成数据的采集和分析。
（4）多次改变手机的位置，重复3的操作，就可以得到多组数据,如下面图5-8所示。其中图6、图7和图8是根据数据拟合成线性函数式。
（5）对多次实验结果进行对比分析，根据转动的半径r与函数关系式对比分析，即可得出向心加速度与角速度和半径的关系结论，即a=ω2r；
（6）实验中半径的数据与关系式中的系数并不完全吻合，根据在网络上查找的资料可知，我使用的手机是华为nova5,其向心加速度传感器在手机背面的外壳处，且手机固定的位置稍大于固定螺丝处的半径，造成实际旋转半径稍大，因此关系式的系数偏大。另外转轴与底座的空隙较大，使横板在转动过程中出现一定程度的摇晃，测得的数据也是有偏差，造成图形没有通过坐标原点。
2.定量探究向心力与质量、角速度和半径的关系。
（1）将拉力传感器和光电门传感器与DIS系统连接，并在系统中完成相关参数的设置，表格如图9所示，图像以向心力F为纵坐标，以ω2为横坐标；
（2）将小车上的细线固定在拉力传感器上，并记录小车旋转的半径和质量（小车的质量事先测得）。
（3）让支架快速旋转，并及时撤去外力，待稳定后，开始记录数据。拉力和遮光时间是同时记录，保证数据的对应关系。
（4）根据事先的设置对数据进行分析，利用DIS系统直接可生成函数关系式，并对相关数据进行分析，得出a与ω的关系式，如图10所示，通过图像可以直观得到向心力F与ω2成正比；且采用国际单位制可计算得到K1=m1×r1=0.0573，此值与关系式的比例系数在误差范围内几乎相等。
传感器在实验中的可视化应用的案例分析
