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2024年6月14日发(作者:)
TECHNOLOGY AND INFORMATION
工业与信息化
基于手机phyphox软件的匀速圆周运动实验探究
张明硕 任飞 刘雪然 王瑞龙
(通讯作者)
丁益民
湖北大学物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062
摘 要 向心加速度是中学物理教学的重点内容,但课堂上很少有实验的直观感受。但可以利用智能手机上的
phyphox软件中向心加速度功能,分别测出角速度ω和加速度a的大小。通过origin软件对数据进行线性拟合,得出
a-ω
2
图像,定量验证向心加速度公式a=r。
关键词 向心加速度;智能手机 phyphox;origin
引言
传统物理课堂在讲解向心加速度公式时,常常仅有数学的
推导,并不能让学生直观感受公式a=r。但是,多数智能手机都
集成了多种高精度、高灵敏度的传感器,如同可移动的物理实
验平台。随着智能手机逐步被运用于物理实验中,就产生的许
多有趣简洁的测量向心加速度的方法。文献1全面介绍了基于
手机传感器的phyphox软件的功能,并给出了多种传感器应用
实例来说明其在物理教学中的应用
[1]
;文献2介绍了phyphox的
应用,最后总结phyphox软件的优缺点,并对phyphox在物理教
学中的应用前景作了展望和思考
[2]
;文献3制作的装置能形象直
观地演示在匀速圆周运动中,向心加速度、角速度、半径三者
的定性关系,实验现象明显,能收获较好的教学效果
[3]
。本文
在此基础上,选择在水平转盘上匀速转动智能手机,测量向心
加速度和角速度,以此来验证向心加速度公式。该实验方法简
单,实验器材容易获得,学生自己就可以进行实验测量,并且
结果精确,具有较高的推广价值。
1 实验器材及实验步骤
本实验由装有phyphox的智能手机,电脑,调速电机套
装,圆形转盘,转动轴承组成。
具体操作步骤如下:
将手机放在转盘上,电机带动转盘匀速转动,三个轴承
120°角支撑转盘边缘用来减小转盘抖动,通过调节变速箱可以
实现不同角速度的匀速圆周运动。在不同的半径r下,通过测量
加速度 a与角速度ω大小,确定 a与ω的定量关系。
打开手机phyphox软件,点击向心加速度功能,将手机固
定在转盘上。
测量此时手机近圆心边缘到转盘圆心的距离,调节变速
箱,以不同转速匀速转动转盘,点击运行后使手机记录足够的
数据。
软件关闭运行后停止转动,将实验数据导出。
更换手机固定点,即改变半径r,重复上述步骤。
2 实验数据与处理
表1 实验数据统计表(r=15.00cm)
ω (rad/s)
2.318
2.718
2.965
3.257
3.521
3.825
4.060
4.358
4.620
4.821
ω
2
(rad
2
/s
2
)
5.373
7.392
8.793
10.61
12.39
14.63
16.48
18.99
21.34
23.25
a(m/s
2
)
1.054
1.370
1.594
1.889
2.174
2.528
2.825
3.221
3.604
3.911
值和向心加速度平均值,并利用origin软件绘制a-图像
[4]
。
图1 数据线性拟合图像(r=15.00cm)
软件拟合图像的函数为:a=0.15990.1911,相关系数
R=0.9999。
表2 实验数据统计表(r=20.00cm)
ω(rad/s)
2.347
2.684
2.954
3.280
3.568
3.857
4.140
4.428
4.685
4.901
ω
2
(rad
2
/s
2
)
5.513
7.205
8.729
10.76
12.73
14.88
17.14
19.61
21.95
24.03
a(m/s
2
)
1.327
1.681
1.999
2.422
2.835
3.284
3.758
4.281
4.771
5.210
图2 数据线性拟合图像(r=20.00cm)
软件拟合图像的函数为:a= 0.20960.1681,相关系数
R=0.9999。
通过两条拟合线以及对应函数可以得出:线性拟合函数相
关系数接近于1,当半径r固定时向心加速度a与角速度平方ω
2
(下转第81页)
科学与信息化2021年6月下
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将手机采集的实验数据导出,求得不同转速下角速度平均
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3.3 绘图过程内外兼顾
绘图过程要结合内外两方面的数据,在绘图前要前往施
工现场收集所有实际数据,并在画图初向承包方索要数据,并
在收集后进行类比,推测出不一样的原因,为后续工作开展奠
定基础,避免出现突发状况
[7]
。详细来说就是首先在施工现场
进行考察对实际宽高,气候条件和土壤条件进行数据收集,将
客观突发因素考虑其中。其次是数据收集后和先前数据进行对
比,将误差产生原因找出,避免潜在隐患的堆积。
观因素影响施工质量问题的出现。
3.2 实行空三加密
空三加密是为内外业提供高精度数据资料的基础,其开
展的精确度直接影响最终成图的准确度,所以在开展前要仔细
在软件上检查每一个步骤,确保其构图性强,准确性高,误差
小。在实施过程中,要多方面细化考虑,首先从ATM上入手,
准确选点并联系实际确定点位可用性,其次要从Virtuozo入手,
利用其强大的构网能力进行工作,但要注意环境的影响因素,
详细内容可见表一。
技术手段
空三加密
表1 空三加密表
ATMVirtuozo
精度较高,但要确定选取点和实际构网力强,定向精度高,受环境
取点是否统一影响
光束法区域网
不确定性容易,产生误差
立体测图
最终程序,要加密检查合格后
方可进入
4 结束语
通过对文章的分析和研究得知,在社会经济体制不断改
革,测绘行业大放异彩的当下,实行基于新型基础测绘技术下
的质量控制是必要的,同时也是测绘行业市场经济的需要,基
于此,本文提出了应用像控测量技术,实行空三加密和绘图过
程内外兼顾三点策略,旨在全面减小新型基础测绘技术下质量
控制的难度,稳固当前竞争激烈的市场,提高各企业市场竞争
力,为测绘行业未来发展奠定基础。通过对文章总结可知,本
文提出的策略主要是针对实施质量控制中遇到的问题提出的解
决办法,旨在专项专治,根据其行业特异性选择合理化策略帮
助进行优化和创新。
参考文献
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新,2020(9):17-18.
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与实践[J].浙江国土资源,2020,210(10):45-46.
[3] 赵晶晶.浅谈1:10000基础测绘DLG数据更新数据的质量控制[J].
地球,2019(9):393.
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与实践[C].江苏省测绘地理信息学会学术年会.江苏省测绘地理信息学会
学术年会论文集.南京:《现代测绘》编辑部,2014:96-98.
[5] 杜佳.基于国情普查成果的省级基础测绘DLG实体要素快速更
新方法研究[J].矿山测量,2018,46(3):96-100.
[6] 程立君,王德冬,刘中秋,等.基于地理国情普查成果数据的基础地
理信息增量更新方法研究[C].中国测绘地理信息学会2016学术年会.中
国测绘地理信息学会2016学术年会论文集.南宁:中国测绘地理信息学
会,2016:237-241.
[7] 王恺,李振林.基于基础地理信息数据库的地理国情数据生产及
样本处理技术方法研究[J].矿山测量,2017(2):41-43,73.
(上接第79页)
存在线性关系,向心加速度正比于角速度平方 ,即 a∝ω
2
。
线性拟合图像中斜率为向心加速度a与角速度ω
2
的比值,
即半径r。
由图像拟合的直线方程可得,当手机以半径=0.1500m做圆
周运动时,斜率0.1598,图像拟合出的半径大小与长度测量半
径大小的相对误差分别为6.6%。当手机以半径=0.2000m做圆周
运动时,斜率为0.2096。图像拟合出的半径大小与长度测量半
径大小的相对误差4.8%
[5]
。
误差可能来源于转盘转动过程中的上下抖动以及手机传感
器产生的系统误差,并且图像拟合出的半径大小与长度测量半
径大小的差值在9mm到10mm之间,这可能是传感器到手机边
缘有一定距离导致的。两组数据半径r拟合值均在实验允许误差
范围之内,对此可以判断,当角速度ω一定时,向心加速度a与
物体做圆周运动的半径r成正比,即a∝r。
综合以上分析可判断,加速度 a、角速度ω、半径 r之间的
关系为a=r。
3 结束语
利用智能手机向心加速度传感器和phyphox软件进行圆周
运动实验,给我们探究圆周运动提供了有效的途径和方法,并
且智能手机传感器法的实验误差在实验允许范围内,验证了此
方法的可行性。手机传感器在教学中可以得到很好的应用,可
以帮助学生更加直观感受物理规律,这对今后的创新性和趣味
性实验教学具有较高的参考意义。
参考文献
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中的应用[J].物理通报,2020(2):101-104,108.
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[4] 饶迪,程敏熙,李锡均.智能手机传感器在中学物理实验中的应用
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[5] 梁振华.基于手机的物理实验开发和应用[J].物理教学探讨,2012,
30(10):77-78,80.
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