利用手机Phyphox软件开展居家实验的实践

王亚芳， 高 义， 陈 倩， 蒋雨宸

（中国地质大学（北京）数理学院，北京 100083）

0 引 言

2020年的春季学期，突如其来的新冠疫情阻断了学生和教师返校的脚步。各高校利用各类教学和社交平台把教学从线下搬到了线上，高校的教师也在特殊时期积极适应，各种授课模式都纷纷亮相［1-4］，应该说，这次疫情既是危机也带来了机遇，倒逼整个教育行业进行了一次教学模式的重大改革［5］。相对于理论课，疫情防控期间，大学物理实验教学面临着更大的困难，让学生体验实践过程才是物理实验课的精髓所在，动手操作能力和创新意识的培养需要真实的情境。面对这样的困难，物理实验教师纷纷献计献策，居家实验［6-9］就是其中一个具有可操作性的探索，为疫情期间的实验教学带来了新的模式和思路。

在开展居家实验的过程中，学生面临着一个问题就是没有合适的测量工具，物理实验不仅仅是定性观察，更需要定量测量，面对这样的问题，Phyphox软件成为最佳的解决方案［10］。这是一款开源的、可以在苹果IOS和安卓系统免费下载的软件，它就是一个物理实验工具包，可以帮助学生开展力学、热学、光学、电学的实验项目，从而成为开展居家实验的神器。

1 Phyphox软件介绍

随着科学技术的不断发展和工艺的不断优化，人们使用的手机越来越智能，这主要是归功于手机上搭载的各种各样的传感器，如图1所示，这些传感器包括距离传感器、光传感器、陀螺仪、GPS定位，压力传感器，温度传感器等，这些传感器让手机变成一个智能的机器人，同时也成为物理实验开展的好帮手。

图1 三星和苹果手机上部分传感器的位置示意图

为了使智能手机能够成为开展物理实验的工具，德国亚琛工业大学S.Staacks等人开发出了一款手机应用软件，这款软件全称为“physical phone experiments”，简称Phyphox，是2016年9月发布的。这款软件可以调用手机的传感器（加速度传感器，磁力传感器，陀螺仪，光传感器，压力传感器，声音传感器，温度、湿度传感器）的数据，从而实现对物理量的测量，如加速度、角速度、光照强度、压力和声音的振幅等基本物理的测量。除了软件外，开发者还在其官网http：／／phyphox.org上传了软件的使用教程，以及如何利用手机开展物理实验的视频教程。这款软件是开源的，爱好者和科研人员可以添加更多的实验，此外，为了方便实验操作，这款软件还可以进行远程操控，让手机能够更好地成为一个实验工具［11］。

由于智能手机的普及性，让Phyphox软件成为居家实验的新宠，其英文版的界面如图2所示，手机上没有搭载的传感器在软件中会显示为灰色，如图2所示的压力传感器，而相关的实验也会显示为灰色（显示电梯实时速度的工具），这款软件除了调用数据，还可以进行数据分析，能够非常直观地用数字或图形给出测量量，数据结果也可以很方便地导出。所以说Phyphox软件具有方便实用的优点，为物理教学提供了新颖的测量工具，非常有利于居家实验的开展。

图2 英文版Phyphox软件示意图

2 开展居家实验的实例

新冠疫情让“居家实验”以全新模式进入大学物理实验教师的视野，很多实验教师在家开发了很多适合居家的实验项目，学生也纷纷献计献策，各种仪器，内容，实验方案都超出预期，学生能够主动做实验，解决身边的问题，在这个过程中已经实现了对学生动手能力和各项技能的锻炼，也达到了实验教学的目的。

2.1 重力加速度实验

单摆测重力加速度是个非常经典的实验，主要利用小角度（＜5°）单摆可以近似看做简谐振动，从而得到单摆周期和当地重力加速度的数值关系然后通过多次测量单摆的周期（时间）的数值，计算得到重力加速度。这个实验原理比较简单，对实验仪器和测量工具的要求也比较低，但是对数据处理和分析能够让学生学习利用误差选择选用适当的仪器，还能让学生学习累积放大法的测量原理，非常适合开展居家实验，所以很多学生都选择了这一题目开展实验研究。

在仪器选择方面，学生有依托墙面钉子、门把手，晾衣架，单摆多采用弹性较小的细线或者尼龙线，测摆长用卷尺和米尺，摆锤选用也是五花八门，测量周期的仪器有秒表和手机。下面介绍两种典型的分别利用手机Phyphox软件进行测量的实验，具体实验装置如图3所示。

图3 利用手机Phyphox软件测量重力加速度

其中，方法1是将智能手机作为单摆的摆锤，直接使用Phyphox的重力加速度测量程序（Pendulum）进行测量，如图4所示，只要输入单摆的摆长，手机程序就可以直接计算给出单摆的周期和频率，并计算得到当地的重力加速度。当然也有同学利用Phyphox中的加速度传感器（Acceleration with g），通过x或者y方向加速度的变化周期，从而计算重力加速度。除了直接用手机做单摆外，还有一组同学是利用小磁铁作为单摆进行测量，如图3方法2所示。该组同学是利用Phyphox软件中的磁力计传感器进行测量（Magnetometer）磁场的强度，利用磁场强度的周期性变化计算得到单摆的周期，然后计算得到当地的重力加速度。

图4 Phyphox软件中单摆测重力加速度示意图

由于疫情的关系，测量重力加速度的同学都身处祖国的四面八方，所以有同学利用手机做单摆的方法，测量当地的重力加速度和当地的经度纬度位置，虽然这些数据可能和当地的标准值存在较大误差，但是这个拓展内容却让学生理解了重力加速度和纬度位置是关联的，加深了他们对重力加速度和测量误差的理解。

2.2 声音驻波实验

在日常生活中我们都有这样的生活体验，当你向暖水壶等盛水容器中倒水时，会听到声音，而且这种声音的音调会随着水面高度的增加而不断变化，有经验的人可以通过注水时声调的变化来判断盛水容器是否即将倒满［12］。这种生活现象其实是由于由于振动产生的声行波与其反射波在容器中产生的驻波，容器开口处是驻波的波腹位置，因此，空气柱的长度L和声波波长λ满足L＝n的关系。容器在注水的过程中，空气柱的柱长会变小，从而使其波长变小，频率增大，所以人们听到的音调会不断升高［13-14］。这个实验和日常的生活经验息息相关，实验原理清晰，同时还能解释日常生活中的现象，所以很多学生都非常感兴趣，做了声音驻波的实验。

这个实验中，学生选择了如图5所示的容器，用水龙头给容器注水，然后利用智能手机中的Phyphox软件的声音频率随时间变化的程序（Frequency history）记录瓶口的声音频率随时间的变化曲线，见图6，从而可以研究声音频率和容器空气柱的长度之间的关系。

图5 声驻波实验中选用的不同容器

图6 不同注水速率的声波频率（左23 mL／s，中12 mL／s，右6 mL／s）

2.3 铁氧磁体的磁学性能研究

铁氧体磁铁属烧结永磁材料，这种磁材除了有较强的抗退磁性能，还有成本低廉的优势，具有广阔的应用领域，从电机、扬声器到玩具、工艺品，是目前应用最广的永磁材料。有同学以稀土钕铁硼小磁铁为研究对象，利用智能手机Phyphox软件中的磁力计（Magnetometer）开展了磁学方面的实验探索。

学生根据可能影响磁铁性能的一些参数开展了相关的研究，例如介质（水）对磁场的影响，温度对对磁场的影响，以及磁铁是否具有各向异性，见图7，这些研究既有很好的操作性，也激发了学生对于很多问题的思考，例如什么是磁铁的各向异性，以及能否利用磁铁随温度的变化的特性制作传感器或者报警器等。

图7 学生开展磁学性能研究的实物及数据图

3 居家实验效果与讨论

除了以上介绍的几个居家实验的例子外，学生开展的居家实验报告内容非常丰富。一部分学生基本上按照教师提供的题目开展，例如重力加速度的测量，冰的熔解热的测量，转动惯量的测量，小孔成像的测量等。另外一部分同学开展的居家实验非常有创造性，选择的题目很有趣味性，例如纸桥承重，瓶子赛跑，漂浮的硬币，带电的报纸，筷子的神力等。

通过学生居家实验的开展可看到：①居家实验这种应急措施在疫情期间实验教学中取得了不错的效果，能够让学生体验到真实的动手操作，设计物理实验的经历，除了动手搭建实验平台，测量数据外，还能够体验到失败的沮丧和成功的喜悦这样的情感经历，能够取得较好的学习效果。②相比有固定操作流程的经典实验，居家实验有很多的不确定性，例如实验仪器的选择，实验环节的设计，实验方法的选择以及数据的处理。而这些环节恰恰是培养学生创新能力、发现问题和解决问题最好的途径，如果老师能够引导学生进行误差的分析、量纲分析、单一变量分析等思路，居家实验可以实现比正常实验室实验更好的教学效果［15-16］。另外，手机软件（Phyphox）能够成为很多物理实验的测量工具，这里除了让学生拥有一种测量仪器外，更能引导学生建立转化测量的概念，知道通过物理模型的建立，物理规律之间的关联性，可以把未知量转化成手机传感器可以测量的物理量，这些概念对于培养学生实践能力和基本操作技能都具有重要作用。

在评阅学生的居家实验的报告过程中，也发现了一些问题：①学生对居家实验深入研究不足，对于实验现象后面的原理没有分析，甚至都没有进行定量的测量，只是现象演示。②在居家环境下，不能像学校实验室一样提供精密的仪器或者适合实验的硬件条件，测量工具Phyphox软件的精度是由手机搭配的传感器的精度决定，不可能具备有实验室级别的传感器，所以实验的精度受到很大的影响。

4 结 语

在新冠疫情肆虐，学生不能如期返校的大背景下，居家（宅）实验应用而生，成为一个新的教学模式，成为学校实验教学的补充和延伸。虽然，这种模式具有时代特殊性，但却给未来的教学拓展了思路，如果能够正确引导和合理利用，不管是居家实验的教育模式，还是智能手机phyphox实验工具箱都可以在今后的物理实验教学中起到积极的作用。