黃孜軒-基于手機(jī)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)過程輔助工具論文111

基于手機(jī)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)過程輔助工具目錄基于手機(jī)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)過程輔助工具 1摘要 1關(guān)鍵詞 2前言 2結(jié)果 3技術(shù)思路 3單擺測(cè)重力加速度 3射猴問題仿真試驗(yàn) 4方法與假設(shè)概述 6數(shù)據(jù)記錄與分析 7結(jié)論概述 7參考文獻(xiàn) 8摘要：物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。按照新的課程理念,演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該重視學(xué)生參與,隨堂實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)則要盡量采用探究式,讓學(xué)生真正進(jìn)入科學(xué)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。這就要求學(xué)生嘗試自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、選擇儀器、收集數(shù)據(jù)、歸納并總結(jié)規(guī)律。然而,目前大部分學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備少,更新?lián)Q代慢,很難滿足以上要求。為了使學(xué)生能夠較為便捷地進(jìn)行一些物理實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)物理一些公式以及原理的理解，便于使用以及結(jié)論的獲得，對(duì)一些老師的課堂教學(xué)以及學(xué)生的物理學(xué)習(xí)有幫助。目前手機(jī)軟件市場(chǎng)上已經(jīng)有類似的項(xiàng)目，但是卻是基于IOS平臺(tái)，在安卓手機(jī)上也有類似項(xiàng)目，不過卻是關(guān)于初中物理實(shí)驗(yàn)的，因此我便制作了關(guān)于高中物理學(xué)習(xí)的軟件.。我結(jié)合了手機(jī)上的各種傳感器，通過軟件，簡(jiǎn)單直觀地講實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕上。我遵循著網(wǎng)上的指導(dǎo)，自己鉆研，自學(xué)了一些相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)與理論，為了能夠獲得更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我調(diào)查了市面上手機(jī)傳感器的各種差異，最終克服問題。我在編程過程中，技術(shù)性問題非常多，我查詢了《人人都能開發(fā)安卓APP——AppInventor2運(yùn)用實(shí)戰(zhàn)》、《AppInventor2中文版開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：Android智能應(yīng)用開發(fā)前傳》、《高中物理課本》等參考文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在經(jīng)過自己的不斷調(diào)試，最終獲得成功。創(chuàng)新點(diǎn)：通過開發(fā)手機(jī)程序與手機(jī)傳感器結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫展示、判斷、測(cè)量、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且通過表格直觀展示物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將現(xiàn)實(shí)中不能實(shí)施進(jìn)行展示的實(shí)驗(yàn)通過軟件設(shè)計(jì)，輔助使用者在手機(jī)平臺(tái)上完成該仿真實(shí)驗(yàn)。與現(xiàn)在市面上的手機(jī)軟件有較多不同的方面，有那些軟件沒有涵蓋的實(shí)驗(yàn)輔助以及模擬?？梢圆粩喔挛锢韺?shí)驗(yàn)輔助。圖一：軟件首頁關(guān)鍵詞：手機(jī)物理實(shí)驗(yàn)輔助前言：該項(xiàng)目以物理教學(xué)理論為指導(dǎo)，以手機(jī)為平臺(tái)，借助手機(jī)上各式各樣的傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托而建立的一種新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我制作的“基于手機(jī)平臺(tái)的物理實(shí)驗(yàn)過程輔助工具”中有“射猴實(shí)驗(yàn)”、“單擺測(cè)重力加速度”、“簡(jiǎn)易水平儀”三個(gè)主要的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但是軟件項(xiàng)目可以不斷地跟進(jìn)完善。射猴問題很難在一般實(shí)驗(yàn)室里完成進(jìn)行驗(yàn)證，程序使用了AppInventor的畫布功能，使用仿真的方式進(jìn)行驗(yàn)證，可以形象地演繹射猴問題試驗(yàn)工程。通過該仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更為透徹地理解拋物線運(yùn)動(dòng)的過程，對(duì)加深學(xué)生在運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面的理解將有較大的幫助。而單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟較為繁瑣，需要學(xué)生使用計(jì)時(shí)器進(jìn)行多次操作，且容易出現(xiàn)誤差，使用該程序，可以輔助學(xué)生或者老師更好地完成該項(xiàng)目。結(jié)果：手機(jī)軟件技術(shù)思路：根據(jù)高中物理實(shí)驗(yàn)“用單擺測(cè)重力加速度”“射猴問題仿真試驗(yàn)”進(jìn)行設(shè)計(jì)。單擺測(cè)重力加速度當(dāng)擺角小于10度時(shí)，其擺動(dòng)可以看成是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，全振動(dòng)周期T=2，l為擺長(zhǎng)，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取Ｓ涗泦螖[全振動(dòng)次數(shù)當(dāng)金屬小球靜止時(shí)，手機(jī)聽筒旁的接近傳感器在小球正下方，距離小于等于3cm，每個(gè)手機(jī)該距離略有變動(dòng)，每當(dāng)小球在接近傳感器上方經(jīng)過時(shí)，會(huì)累積經(jīng)過次數(shù)，由于一次全振動(dòng)小球需要經(jīng)過最低點(diǎn)兩次，需記錄全振動(dòng)次數(shù)n。計(jì)算全振動(dòng)周期T以及當(dāng)?shù)刂亓铀俣容斎霐[長(zhǎng)（繩長(zhǎng)加小球半徑），當(dāng)全振動(dòng)次數(shù)為10的倍數(shù)，用計(jì)時(shí)器記錄總用時(shí)間t，計(jì)算周期T，根據(jù)公式計(jì)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，并列表顯示，其中測(cè)試次數(shù)n用于觀察小球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)接近傳感器是否有感知其經(jīng)過。結(jié)論eq\o\ac(○,1)擺長(zhǎng)越大，小球全振動(dòng)周期T越大eq\o\ac(○,2)若周期T保留兩位小數(shù)，則每次全振動(dòng)用時(shí)幾乎一致圖二:單擺測(cè)重力加速度頁面圖三：代碼界面1圖四：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示射猴問題仿真試驗(yàn)射猴問題仿真試驗(yàn)是高中物理運(yùn)動(dòng)力學(xué)教學(xué)上的經(jīng)典問題。問題的內(nèi)容是：假設(shè)一只猴子抓著樹枝，獵人舉槍直接瞄準(zhǔn)猴子，在獵人開槍的瞬間，猴子松手了，問獵人是否能夠擊中猴子？多數(shù)人根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為如果子彈速度足夠快，是可以克服重力的影響的，因此認(rèn)為只要猴子及時(shí)松手，子彈是不可能擊中猴子的。受制于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)條件，射猴問題很難在一般實(shí)驗(yàn)室里完成進(jìn)行驗(yàn)證，程序使用了AppInventor的畫布功能，使用仿真的方式進(jìn)行驗(yàn)證，可以形象地演繹射猴問題試驗(yàn)工程。程序在設(shè)計(jì)上采用了較為嚴(yán)格的仿真算法，實(shí)驗(yàn)演繹過程比傳統(tǒng)試驗(yàn)更為自由?！皹尅焙汀昂镒印痹诋嫴忌系奈恢每梢匀我庖苿?dòng)?！白訌棥钡某跛俣群蜕鋼艚嵌纫部梢匀我庠O(shè)定。除了傳統(tǒng)射猴問題實(shí)驗(yàn)的斜上拋運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)平拋、上拋、下拋等任意角度的運(yùn)動(dòng)。通過該仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更為透徹地理解拋物線運(yùn)動(dòng)的過程，對(duì)加深學(xué)生在運(yùn)動(dòng)力學(xué)方面的理解將有較大的幫助。1.瞄準(zhǔn)過程的計(jì)算方法根據(jù)“槍”和“猴子”的坐標(biāo)計(jì)算出強(qiáng)和猴子之間的連線相對(duì)于水平線的角度的正切值，由于AppInventor目前沒有反正切函數(shù)，程序上使用逐步逼近的算法，計(jì)算-90度到+90度的正切值，并與上述的正切值進(jìn)行比較，從而精準(zhǔn)地算出瞄準(zhǔn)角度，并將圖形精靈“槍”的角度設(shè)為該角度,實(shí)現(xiàn)“槍”瞄準(zhǔn)的效果。2.運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算方法事先約定畫布為橫屏布局，下方為重力方向，每個(gè)像素相當(dāng)于0.1米，根據(jù)用戶設(shè)定的初速度，先計(jì)算該初速度下子彈移動(dòng)1個(gè)像素所需的大致時(shí)間，設(shè)定仿真的時(shí)間間隔，根據(jù)該時(shí)間間隔，逐幀計(jì)算子彈和猴子的移動(dòng)位置。根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理，假設(shè)該時(shí)間間隔為t，初速度為v，射擊角度為α，則子彈的x方向離起始點(diǎn)每幀位移為v*cosα*t,y方向離起始點(diǎn)每幀位移為v*sinα*t+0.5*gtt。猴子的y方向離起始點(diǎn)每幀位移為0.5*gtt。為了方便計(jì)算，這里取重力加速度為10。圖五：代碼界面2圖六：代碼界面3圖七：代碼界面4方法與假設(shè)概述:為了完成該項(xiàng)目，我查詢了許多APPINVENTOR2的編程教程，在學(xué)校社團(tuán)上老師也進(jìn)行了組件的輔導(dǎo)，開發(fā)周期也很長(zhǎng)。我已開始毫無編程基礎(chǔ)，當(dāng)我社團(tuán)課上選修了手機(jī)軟件編程的選修課，老師對(duì)我的輔導(dǎo)非常多，從一開始的簡(jiǎn)單的計(jì)時(shí)器，指南針到JSON到運(yùn)用WEB客戶端調(diào)用API端口到最后能夠熟練地運(yùn)用手機(jī)傳感器，并進(jìn)行集合完成該項(xiàng)目。為了完成該項(xiàng)目與物理相關(guān)的代碼，為了獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我學(xué)習(xí)并使用了較為嚴(yán)格的仿真算法，程序上使用了逐步逼近的算法。代碼是非常多并且枯燥的，但我在老師的幫助下，最終完成了制作。數(shù)據(jù)記錄與分析:完成該項(xiàng)目對(duì)我來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是物理相關(guān)的軟件，令我頭疼不已。這個(gè)軟件開發(fā)周期很長(zhǎng)，從一開始對(duì)編程，對(duì)AppInventor2一無所知到逐漸成長(zhǎng)為了一個(gè)略知一二的學(xué)生，我在編程過程中遇到了許許多多的技術(shù)性問題。在平日的習(xí)作中，逐步深入，逐步攻克一個(gè)個(gè)難點(diǎn)，不斷練習(xí)，通過翻看書籍，與老師探討，解決了各種問題。在整個(gè)編程過程中，邏輯以及物理算法如何通過代碼實(shí)現(xiàn)，是最困難的，為此琢磨了許久。一開始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是紊亂的，不成章法，并伴隨有種種錯(cuò)誤，在不斷地調(diào)試過程中，經(jīng)過各種努力，當(dāng)看到手機(jī)屏幕上出現(xiàn)了正確的數(shù)據(jù)時(shí)，我從未感受到如此的快樂。在編程過程中，復(fù)雜的變量以及邏輯關(guān)系使我眼花繚亂，我不得不理清思路，一部分一部分地完成我的代碼塊。經(jīng)過鉆研與老師的指導(dǎo)，我的應(yīng)用程序已經(jīng)初步成型，當(dāng)程序呈現(xiàn)在我的面前時(shí)，心中無比自豪。結(jié)論概述:課題是手機(jī)軟件，一切的基礎(chǔ)都是來源于APP制作的編程選修課。這個(gè)課題涉及到的APPINVENTOR2的組件則非常的多，同時(shí)它也涉及到了物理等理科的學(xué)習(xí)，在編程過程中，我不斷學(xué)習(xí)，不斷鞏固，只有時(shí)刻保持一顆上進(jìn)的學(xué)習(xí)的心和理智冷靜的頭腦，才能保持邏輯思維，才能保證軟件的不出錯(cuò)?？茖W(xué)的鉆研精神是編程過程中必須具備的一個(gè)要素。編程過程中是時(shí)時(shí)刻刻與失敗息息相關(guān)的，一個(gè)軟件，從中需要一次又一次的測(cè)試，我經(jīng)過了一次又一次的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，失敗成了家常便飯，此時(shí)便要有科學(xué)的鉆研精神。每次軟件失敗或者實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)，我都要重新觀察代碼，重新編排屏幕組件，仔細(xì)找出邏輯出錯(cuò)的地方，不斷改進(jìn)。無論遇到什么苦難，即使讓我失去信心，我在內(nèi)心不斷告訴自己：既然已經(jīng)邁上了這條路，就必須鉆研到底。這個(gè)軟件還不完整，仍然需要不斷地完善與跟進(jìn)，我的目標(biāo)與希望是：將初中以及高中所有的物理實(shí)驗(yàn)都涵蓋進(jìn)這個(gè)程序！我相信，只要有一顆堅(jiān)韌與頑強(qiáng)的心，我的目標(biāo)一定能夠達(dá)成。參考文獻(xiàn)：[1]黃仁祥，金琦，易偉。人人都能開發(fā)安卓APP——AppInvento