数字传感器新载体——智能手机在物理实验中的应用综述

介绍了近年来智能手机传感器在物理实验中应用的现状,对其实验思路和方法进行了梳理,总结了智能手机传感器具有普及率高、测量灵活、方便携带、适合户外探究等优点,然后根据国内实际情况对基于智能手机传感器的物理实验的前景进行思考和展望.     

用智能手机传感器测量重力加速度的新方法

利用智能手机内置的压力传感器和温度传感器设计了一个新实验.通过测量相对海拔高度与气压的关系,通过线性拟合获得重力加速度.这种新的实验方法无需额外装置,且实验过程简单易行.     

一种用三线摆测量重力加速度的方法探讨

重力加速度的测量在大学物理实验教学中占有重要地位,它能加深学生对于运动和力的理解。本方法利用智能手机集传感器和处理器于一体的特点,开发了专门的滤波算法和手机应用,实现了数据输入,周期采集和数据处理一体化的功能。相比起原有的三线摆测量重力加速度或者物体转动惯量的实验,大大简化了实验步骤,降低了对于实验器材的要求,能够让学生直接抓住物理实验背后的物理本质。实验证明智能手机测量具有与传统毫秒计时器方法相同的精度,实验条件的改变并不会显著影响智能手机的测量结果。     

基于智能手机App验证牛顿第二定律的研究

设计了一款安卓智能手机应用软件Physics+,并基于该App验证牛顿第二定律。该方法通过手机App结合外置加速度传感器来直接测量传统实验中滑块运动的加速度，记录加速度的完整变化过程，自动分析实验误差。与传统验证牛顿第二定律实验的方法相比，该方法操作简单，性价比高，快捷精准，解决了传统实验方法精度低和误差大的问题。利用安卓智能手机辅助物理实验教学，让学生从实验中更形象地理解牛顿第二定律，激发学生学习物理的兴趣，有望成为开展物理实验探究和教学的得力工具。     

用智能手机验证自由落体机械能守恒

智能手机具有很多特殊功能的传感器, 合理利用这些传感器进行物理研究, 可提高测量的精确度, 更 好地探索物理规律. 笔者利用智能手机超速摄像功能和计时功能, 验证了小球下落过程机械能守恒, 相对误差为0. 6 5 4%. 结果说明合理利用智能手机的各种传感器功能, 有助于物理规律的教学与研究     

利用智能手机外设传感器可视化测量导热系数

基于传统导热系数的测量方法,将集成式温度传感器换为测温更加灵敏且能通过蓝牙与智能手机连接实现可视化测温的探针温度传感器,利用其配套软件导出实验数据至手机Excel并直接利用手机Excel拟合出“温度-时间”曲线,计算待测物体的导热系数.研究结果表明,与传统方法相比探针法测得的实验结果相对误差更小、不确定度也更小.利用智能手机外设传感器进行可视化测量,不仅可以扩充智能手机的物理测量范围,还可以发挥智能手机的计算功能,从而在一部手机上完成物理测量和数据处理的全过程,方便开展居家实验,为今后创新性实验研究开创新的思路.     

基于智能手机的振动现象研究及应用

本文利用智能手机内置传感器与Phyphox软件,探究了简谐振动的周期公式和耦合双自由度振动的规律,测量了多自由度振动系统(人行天桥)的固有频率.实验结果表明,用手机和Phyphox得出的简谐振动周期公式与理论公式非常接近.对双自由度系统,验证了简正模思想在分析耦合振动系统是可行的.对于桥梁这样复杂的多自由度振动系统,运用手机就可以很方便地测量其固有频率.     

智能手机陀螺仪传感器测量转动惯量研究

利用智能手机中的微机电陀螺仪传感器采集刚性物体绕定轴转动的角速度,辅以AndroSensor手机软件进行实时记录,并利用Matlab对数据进行处理,从而精确地计算出刚体的转动惯量。本方法测量的数据与传统的光电门实验方法相比精度更高,更接近理论计算结果,且实验无需复杂的仪器支持,方便快捷,而且可以很方便地扩展到非规则刚体转动惯量的测量。本方法为刚体转动惯量的测量提供一个新的选择,为充分利用智能手机中的各种传感器参与传统物理实验提供一个新思路。     

利用智能手机测定刚体转动惯量

基于传统方法,将智能手机与传统方法相结合,将其运用于传统三线摆测量刚体的转动惯量实验之中,利用智能手机自带的角速度传感器和SensorKinetics传感器软件,通过绘制"角速度—时间"图像来进行周期的计算,再将得到的两次周期数值代入原计算公式中,进而求得刚体转动惯量。经过多次实验后,利用智能手机得到的结果和传统方法相近,与理论值比较其相对误差也较小。在传统三线摆实验中运用智能手机不仅测量方便,而且增加了实验的趣味性和可操作性。     

巧用智能手机做偏振光实验和超重失重实验

利用手机内置的光强传感器和陀螺仪,设计了偏振光观察与应用实验,并验证了马吕斯定律与测定蔗糖溶液旋光率的实验.再利用智能手机的加速度传感器研究了超失重现象,得到了不同运动状态下超重失重的加速度数据,绘制加速度曲线.2个实验装置结构简单,易于操作.     

智能手机中加速度计的原理及教学应用

智能手机传感器为物理教学带来了全新的教学方式. 对此, 笔者详细介绍了手机加速度计的工作原 理, 解决如何通过内部的弹簧 重物系统, 实现测量静止时手机所受的重力加速度. 而后, 将手机加速度计引入物理 教学中, 研究自由落体运动. 与传统教学相比, 智能手机传感器的引入使物理教学更形象、 更直观、 更有效率     

用智能手机传感器测量弹簧的劲度系数

本文提供了一个用智能手机做实验工具的例子, 实验中智能手机既做弹簧的振子, 也可测量弹簧的振 动周期, 用智能手机加速度传感器测量极短暂的振动周期, 从而提高了实验的测量精度, 降低了实验误差     

利用手机加速度传感器探究加速度与力、质量的关系

利用智能手机加速度传感器探究了合外力做功与动能变化量的关系.该实验在气垫导轨的滑块上安装智能手机,利用智能手机加速度传感器直接测出小车的加速度,进而得到合外力,再利用光电门测量速度,从而实现了探究合外力做功与动能变化量的关系.该方法不仅可以减小摩擦力对实验结果的影响,同时用加速度传感器得到合外力比用重力近似代替合外力实验更加精确.     

用智能手机对载流导体三维磁场的测量研究

本文利用智能手机中的磁传感器来测量载有电流的导体所激发的三维磁场。测量长直导体与不同半径圆环形导体在三个轴（Bx轴、By轴、Bz轴）方向上的磁感应强度。据实验结果显示，手机测得的磁感应强度在一定范围内与理论值较为一致。根据实验结果研究智能手机中磁传感器在误差允许的范围内对磁感应强度的测量精确度和测量范围，并分析影响精确度的因素。探究手机能否作为测量磁场的工具应用于学生实验室，在一定程度上代替昂贵的实验设备进行磁场测量实验。     

基于智能手机加速度和速度传感器刚体转动惯量的测量

将智能手机的加速度和速度传感器引入三线摆法测量刚体转动惯量实验中，使刚体摆动的周期性过程更加形象化，并通过手机自动绘制的“加速度-时间”和“速度-时间”图像获取刚体摆动周期，实现对刚体转动惯量的测量。实验结果表明，智能手机传感器测量数据合理，相对误差在实验允许范围内。将智能手机引入大学物理实验教学，不仅可以增强学生对新技术的认知，激发学生对新知识的渴望，而且可以拓展学生思维，培养学生创新精神。     

利用霍耳位置传感器测杨氏模量

固体材料杨氏模量是综合性大学和工科院校物理实验中必做的实验之一。该实验可以学习和掌握基本长度和微小位移量测量的方法和手段。探讨了利用霍尔位置传感器的输出电压与位移量线形关系以测量杨氏模量微小位移量的方法。     

利用智能手机旋转传感器测量转动惯量

在用三线摆测量转动惯量的实验中,利用智能手机旋转传感器测量出刚体在转动时的旋转角度与时间的图像,然后计算出摆动的周期,进而测量出刚体的转动惯量。并将手机测量结果与传统实验结果进行比较,验证其可行性。     

基于转动惯量平台与智能手机的教研实验探究

文章基于"测量刚体转动惯量实验"的原理,利用苹果手机内置Bosch加速度传感器与陀螺仪作为测量工具,进行了手机转动惯量与科氏加速度的计算与测量,模拟计算了手机的运动轨迹。利用Python语言编写加速度测算程序,画出了手机三维加速度随时间的变化关系。之后将其内部数据导入到Matlab软件中进行中值滤波以及卡尔曼滤波处理,将其用于手机震动、晃动等因素产生的噪声滤出,最后通过数据处理得出各测量物理量的实际值与理论值进行比对,表明此种实验方法大大提高了精确度。利用手机内置传感器代替了传统的实验器材,用于大学物理实验不失为一种现代化教学的辅助方法。     

基于智能手机地磁场水平分量的测量

利用智能手机的指南针功能,结合亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场,来进行普通物理实验中地球磁场水平分量的测量实验的改造。充分利用了手机的指南针的灵敏度高、无偏心误差以及读数准确的优点,减小了实验误差。同时,提高了利用生活中的常用工具来解决物理问题、激发学生学习兴趣的目的。     

利用智能手机磁场传感器测量刚体的转动惯量

在三线摆法测量刚体转动惯量实验中,利用智能手机磁场传感器和Sensor Kinetics Pro软件,通过绘制"磁场强度-时间"图像,计算刚体转动周期,进而达到测量刚体转动惯量的目的。并将手机法测量结果与传统实验方法所得结果进行对比,验证其准确性。