智能手机参与经典物理实验的研究

    武晓磊 刘欣 苏波

    

    

    

    摘要：随着科技的不断发展，手机已经从最基本的通信功能演变为现在集多种功能为一体的智能载体，智能手机内部集结了例如红外、距离、重力、磁场、气压、温度、湿度、加速度等多种传感器。为了提高学生的学习兴趣，方便学生进行物理探究，可以利用智能手机的硬件和软件设计参与很多的物理实验。本文主要介绍了利用智能手机参与完成的4个实验，分别是智能手机充当信号发生器在示波器上显示李萨如图形，智能手机充当单通道示波器，利用智能手机和Arduino模块测定超声波的声速，利用手机的GPS功能测量地球的半径和质量。

    关键词：智能手机;物理实验;测量

    1 绪论

    手机作为现代生活的随身用品，其功能已不仅仅是打电话发短信，而是越来越智能化[1]。利用手机，可以拍照、上网、娱乐等，给人们的生活带来了很大的便利。此外，随着智能手机内置传感器种类的不断丰富，以及通过调用手机内置传感器来实现数据测量的相关程序的不断开发，将智能手机中的内置传感器与数据采集应用软件相结合，智能手机可以说是一个可随身携带的物理小型实验室[2]。利用其丰富的软件，各种声、光、距离、重力、加速度、磁场、气压、温度、湿度等灵敏度较高的传感器，可以设计并参与许多物理实验[3]，不仅方便，还能大大激发学生探究物理的兴趣和热情。在本文中利用智能手机完成了四个物理试验：智能手机充当信号发生器在示波器上显示李萨如图形、智能手机充当单通道示波器、利用智能手机和Arduino模块测定超声波的声速、利用智能手机测量地球的半径和质量。

    2 实验

    2.1 智能手机充当信号发生器在示波器上显示李萨如图形

    耳机是智能手机向外输出电信号的媒介，根据这一原理，考虑能否通过耳机向外输出可以人为控制的一定频率一定形状的电信号，通过查阅大量资料，发现Waveform Generator Demo软件可以做到，其输出的波形有正弦波、三角波、方形波和锯齿波可供选择，还可以调节输出电波的频率和功率。耳机接头如图1所示，一共有4个部分，分别是左声道、右声道、麦克风和共地端。其中左声道、右声道是输出端，可以将手机中的信号输出;麦克风是输入端，可将外界信号采集并输入到手机中，最后一个是输入输出端所共用的地线[4]。

    李萨如图是利用一个双通道示波器，把外界输入的两个正弦信号分别加载在X和Y轴上，当两个正弦电压的频率相同或者呈现简单的整数比时，则屏上将显示出特殊形状的轨迹，这种轨迹称为李萨如图形[5]。李萨如图形与X和Y轴的最大交点数n1：n2等于Y轴和X轴的输入频率之比。

    实验时把耳机的胶质塞头剪下，两幅耳机的耳机头分别连接两个手机，两幅耳机的左声道分別连接示波器的CH1和CH2通道，两个智能手机通过Waveform Generator Demo软件输出正弦波形，调整手机输出频率和输出功率，即可在示波器上显示李萨如图形。通过不断调整两个手机输出频率的整数比，可以得到不同的李萨如图形。实验结果如图2和图3所示。

    2.2 智能手机充当单通道示波器

    手机既可以通过耳机的左右声道向外发送一定频率的电波信号，也可以通过耳机的麦克风接收外界信号，因此，想通过应用程序来显示接收信号的频率，让手机具备示波器功能。查阅资料，发现通过MicTester软件可以显示手机接收到的麦克风信号的频率。利用Waveform Generator Demo软件通过耳机的左声道发送正弦信号，另一个手机通过MicTester软件利用麦克风接收信号。值得注意的是，因为手机只有一个麦克风接口，所以只能当作单通道的示波器来使用。

    把一副耳机的胶质塞头剪下，耳机头连接手机，通过Waveform Generator Demo软件利用耳机的左声道向外输出正弦波;把另一副耳机的耳机头连接手机，麦克风剪下，麦克风线连接一个电容后再连接刚才耳机的左声道，手机即可通过MicTester软件查看频率。可以发现，输入频率是2000Hz，软件上显示1999Hz。

    2.3 测定超声波的声速

    速度=距离/时间，只要求得已知距离和时间，就可以求出速度。Arduino模块连接超声波模块和蓝牙模块，超声波模块可以发送和接收超声波，蓝牙模块和手机蓝牙进行连接从而进行数据交换。实验开始时，距离超声波模块一定距离处放一个挡板，超声波模块发送端正对着挡板，挡板的作用是反射超声波信号，超声波模块和挡板的距离用米尺测量;时间采用I/O触发测量，Arduino给超声波模块发出至少10微秒的高电平信号，开始计时，接着超声波模块发送8个40kHz的方波，然后检测是否有信号返回，如果有信号返回，停止计时，Arduino记录的时间就是超声波从发射到返回的时间。手机APP蓝牙串口助手，可以通过蓝牙让手机和Arduino进行数据交换。把测量得到的距离通过蓝牙串口助手发送给Arduino，在Arduino上作出计算，声速=测试距离×2/时间，最后再把计算得到的超声波速度结果通过蓝牙模块发送到手机上显示。

    2.4 测量地球的半径和质量

    智能手机具有GPS定位功能，可以测量某地的经度和纬度。使用智能手机分别测得两个城市（位于同一经度，不同纬度）的经度和纬度，可算得这两个城市的纬度差Δθ;利用智能手机的地图功能可得到两城市的距离L[6]，利用圆心角公式：

    首先利用智能手机的地图软件测量北京和安徽六安的经纬度（北京和安徽六安同经度），然后计算这两个城市的纬度差Δθ。再利用智能手机的地图软件测量从北京到安徽六安的直线距离L，利用圆心角公式求得地球半径R。再利用Sensor Checker软件得到本地的重力加速度g，代入公式（2），即可求得地球质量M。

    北京的北纬值和东经值分别为39.90°和116.30°，六安的北纬值和东经值分别为31.44°和116.28°，利用地图软件测得，北京到六安的直线距离为945.14km;利用圆心角公式，可得地球半径R=6404.26km。查阅相关资料可知地球半径理论值为6371km。

    利用Sensor Checker软件求得重力加速度g=9.799m/s2，根据公式（2），求得地球质量M=6.022×1024kg。

    根据一系列的计算，地球半径为6404.26km，地球实际半径为6371km[8]，对误差为0.52%;地球质量为6.022×1024kg，实际质量为5.977×1024kg，相对误差为0.75%。

    3 结论

    上述实验经验证都非常成功，说明利用智能手机参与完成物理实验不仅会使得实验更加简单，操作更加方便，而且还会充分调动学生的科研兴趣。此外，经验证智能手机自身还带有很多传感器，可以直接测量出：重力加速度、温度、湿度、亮度、压强等物理量，充分表现了科技的发展与物理实验相结合的重要性。

    参考文献：

    [1]刘银奎.利用智能手机演示声波的相关实验[J].物理实验，2020，40（07）：58-61.

    [2]智能手机在中学物理实验教学中的研究[D].陕西理工大学，2020.

    [3]张雅婷.智能手机助力高中物理演示实验教学的专题研究[D].内蒙古师范大学，2020.

    [4][美]扬，[美]弗里德曼著.西尔斯当代大学物理（下册英文改编版）（原书第11版）.机械工业出版社，2009.

    [5]李开玮，杨斌.“示波器原理与使用”实验教学启发[J].科技风，2020，（02）：42.

    [6][美]Michael Margolis著.Arduino权威指南[M].人民邮电大学出版社，2015.

    [7]吴咏华，霍建青，浦其荣.大学物理实验[M].2版.北京高等教育出版社，2005：93-94.

    [8]刘智谦.使用手机GPS定位软件巧测地球半径[J].实验教学与仪器，2018，35（01）：71-72.