基于Phyphox辅助测量声速演示实验的探究

摘要

回声测距不仅可以测距离，还可以验证空气中的声速确实是340 m/s，完成该实验只需一根尺寸合适的PVC管、一部安装Phyphox软件的智能手机即可实时测出声速的大小。通过实验发现，不同粗细、长度的PVC管子会影响测量结果的精准度，经过实验选出尺寸理想的PVC管：直径10 cm左右、长度50 cm左右的PVC管进行实验测量时的效果最佳。

Graphical abstract

关键词

测量声速 / Phyphox软件 / PVC管 / 演示实验 / 课堂教学

有关声速测量的论文^［1-2］不少，假如在教学中可以给学生演示实验真实测出声速的大小，那么学生对于物理学科的信服度、兴趣会大大提升。智能手机内置的十余种传感器可以为物理课堂注入新的活力、带来新的选择。笔者通过选取不同粗细、长度的PVC管多次进行实验，筛选出最理想的尺寸，利用该方法测量声速非常高效精准，且融合学校多媒体设备的投屏技术可在课堂上实时呈现实验现象，学生能看见真实的实验数据。

1 测声速实验的设计

笔者就地取材得到了以下5种不同尺寸的PVC管：直径1.0 cm，长度为33.5 cm和61.4 cm；直径为7.2 cm，长度为22.7 cm和33.3 cm；直径为10.7 cm，长度为54.1 cm。

实验具体操作如图1所示。

打开Phyphox软件的“声呐”板块，在“声速”的目标距离输入对应的PVC管长度。当手机发出固定频率的声音时，声音遇到管底部的障碍物形成回声，Phyphox软件实时呈现回声强度曲线图。等待十余秒，待实验数据稳定后按下暂停键。通过“平移和缩放”回声强度曲线寻找最佳位置，最后点击“读取数据”，得出最强回波所对应的声速，测量声速实验便可结束。间隔一段时间，重复实验。

2 不同尺寸PVC管测声速的实验结果和分析

（1） 直径为1.0 cm的PVC管从不同时刻进行的实验数据截图得出最强回声强度都分布在声速300~400 m/s区间，测得的声速在330 m/s左右。该直径下两种长度的PVC管测声速均没有达到340 m/s。

（2） 直径在7.2 cm、长度均小于50 cm的两种PVC管，在随机时刻进行的实验数据截图最不理想，最强回声强度均在150~200 m/s区间，误差较大，形成的回声强度曲线也不如其他尺寸的明显。

（3） 直径为10.7 cm、长度为54.1 cm的PVC管测量的数据最稳定、最准确，在不同时刻随机进行实验测得的数据均是V_{\mathrm{空气}}=\mathrm{341.684}\mathrm{2}\mathrm{m}/\mathrm{s}，最接近340 m/s，形成的回声强度曲线也十分稳定，曲线很完整、有规律。表明该尺寸、该距离下回声效果比较理想。

3 讨论与思考

笔者发现，直径在10 cm左右、长度在50 cm左右的PVC管进行实验，测量的声速更稳定、更精准，并且该尺寸左右的PVC管子也方便携带。因此，考虑到上课携带问题以及实验精准度，对实验用PVC管作出如下建议：①选择长度最好在50 cm左右，这样既确保了实验数据的精准性，又兼顾了方便携带的问题；②管子直径在10 cm左右呈现的回声效果比较理想。

在课堂上利用该方法演示测声速实验时，结合多媒体投屏技术，可实时、放大呈现真实的实验数据，并且该方法完全可在教师简单介绍实验原理之后让学生自行操作，学生在动手和观察之间促进学科核心素养的提升。

4 结语

国家教育部在《教育信息化“十三五”规划》中提出：要求不断创新应用信息化环境和优化教育资源，使信息技术教学从简单整合转变为深度融合，着力探索信息技术在日常教与学活动中的作用^［3］。数字化媒体已成为物理教与学的重要资源，可以使许多难以测量的物理量问题得到解决，这不仅是教育信息化发展的需要，也是培养学生创新能力的重要手段；数字化媒体使得物理课堂有了更多的选择和可能，当然，其与物理教学融合的深度和广度仍值得广大教师继续深入探究和思考。

参考文献

[1] 杨文健，何慧颖，熊举峰.声速测量演示实验的设计［J］.物理实验，2022，42（01）：60-63.

[2] 杨斯杰，蔡智勇，高永伟.现代信息技术在物理教学中的应用：以声速的测量为例［J］.湖南中学物理，2021，36（10）：52-56.

[3] 任友群，郑旭东，吴旻瑜.深度推进信息技术与教育的融合创新：《教育信息化“十三五”规划》（2016）解读［J］.现代远程教育研究，2016（05）：3-9.