基于Phyphox的阿基米德原理可视化演示实验

摘要

物理实验是促进学生知识与技能提升的关键因素，是提升学生科学探究能力的重要载体，是培养学生创新思维能力的重要途径。随着实验教学信息化的普及推广，诸多的软件及传感器成为创新实验设计及制作的好帮手、好工具，促进了实验的便捷化和可视化。针对阿基米德原理教学，以Phyphox软件为载体，采用数字化测力计直接测出浮力和排开水所受的重力，其实验数据通过Phyphox软件发送到平板电脑或台式电脑上，从而获得现象直观、数据准确的实验结果。

Graphical abstract

关键词

Phyphox / 阿基米德原理 / 浮力 / 可视化演示仪

物理实验作为物理教学的核心，不仅能够促进学生的知识与技能的提升，更是培养学生科学探究能力和创新思维的重要途径。随着信息技术的飞速发展，实验教学信息化的推广应用亦得到了发展，这就为物理实验教学提供了新的工具和方法，使得实验过程更加便捷化和可视化。智能手机和相关应用程序的普及，为物理实验教学带来了革命性的变化。

Phyphox软件意为“物理手机实验”或者“手机物理工坊”，作为一款基于智能手机传感器的教育工具，它已经成为连接理论与实践、课堂与实验室的桥梁。Phyphox软件利用手机内置的多种传感器，如加速度计、陀螺仪和磁力计等数字化计量工具，将智能手机转变为一间多功能的物理实验室，能够测量和记录各种物理量，如加速度、角速度和磁场强度等，极大地丰富了物理实验的内容和形式。目前，Phyphox软件的应用不仅提高了实验教学的可视化效果，还利用其强大的数据处理功能，使学生能够更直观地理解物理概念和规律。

1 问题的提出

阿基米德原理是物理学中的一个基本定律，描述了物体在液体中受到的浮力与其排开液体的重力之间的关系。传统的阿基米德原理实验往往操作烦琐，且难以直观展示浮力与排开液体重力之间的关系，这限制了学生对原理的深入理解和应用。为了解决这一问题，笔者提出一种基于Phyphox软件的创新实验设计方案，利用数字化测力计直接测量浮力和排开水所受的重力，并通过Phyphox软件将数据直观地展示在平板电脑或台式电脑上，极大地提高了实验的准确性和互动性。对传统实验的数字化改造，不仅便于学生直观地理解阿基米德原理，而且能够激发学生对物理学习的兴趣，培养其科学探究精神，促进其核心素养的发展，并为今后的物理创新实验教学实践提供参考和启示。

2 课程标准的要求

该内容来源于人教版义务教育教科书物理八年级下册第十章“浮力”第2节“阿基米德原理”^［1］。课标要求：探究并了解浮力大小与哪些因素有关。知道阿基米德原理，能运用物体的浮沉条件说明生产生活中的有关现象^［2］。对一级主题第四模块“实验探究”子主题“探究类学生必做实验”活动建议的要求：尝试用力传感器探究影响浮力大小的因素或杠杆的平衡条件^［2］。

针对阿基米德原理的学习，是基于实验研究的物理观念的提升，是基于传感器创新实验的开发及实践，是知识拓展与应用的诠释，能够促进学生运用物体的浮沉条件解释和说明生产生活中的现象。

3 基于Phyphox的创新实验设计及制作

3.1 材料准备

EPS32开发板、蓝牙模块、HX711AD模块、力传感器、充电模块、可充电锂电池、底座垫片、木板底座、减速电机（DC：6 V、60 r/min）、塑料管支架、SRD继电器、OLED显示屏、烧杯、溢水杯、充电器等。部分材料如图1所示。

3.2 制作过程

（1） 制作减速电机控制端操作平台。利用可充电锂电池、SRD继电器、正反转开关、TP4056锂电池充电模块、电源输入端、底部支架和顶部支架等材料组装减速电机控制端操作平台。

（2） 分别制作水平面测力显示平台、竖直拉力显示平台。利用EPS32开发板模块、力传感器、锂电池、OLED显示屏、TP4056锂电池充电模块、底部支架和顶部支架等材料组装水平面测力显示平台、竖直拉力显示平台，如图2所示。

（3） 仪器组装及测试。利用水平面测力显示平台、竖直拉力显示平台、木板底座、塑料支架和减速电机进行组装，完成实验仪器的制作，并利用仪器进行测试，如图3所示。

3.3 软件安装及操作步骤

【步骤一】利用手机下载Phyphox（手机物理工坊）软件，打开手机蓝牙功能；用Phyphox软件打开“阿基米德原理”固件。

【步骤二】打开水平面测力显示平台的开关、竖直拉力显示平台的开关，连接减速电机输出电源，借助手机蓝牙功能连接F₀₁、G₀₁。

【步骤三】若需要利用平板电脑或台式电脑显示数据，可以运用手机打开热点，即可将平板电脑或台式电脑接入手机热点，从而确保平板电脑或台式电脑与手机在同一个局域网内；打开Phyphox软件右上角的“三点”，允许远程控制，再在电脑的浏览器上输入左下角的网址（如http：//192.168.156.239：8080/），即可实现平板电脑或台式电脑上的数据同屏显示。需要注意的是，每个手机热点分享时此处的网址是不一样的。

3.4 实验过程及结论

（1） 将实验装置置于水平桌面上，在水平测力显示平台上放置一只空烧杯；在水平小台面上固定一只溢水杯，其溢水口处用小塑料管延长至刚好对着烧杯中心位置即可。

（2） 给溢水杯中加满水，尽可能加至水刚好没有溢出，以防止测量排开液体重力时的误差。

（3） 将重物挂在测力计上，不使其浸入水中，完成以上步骤即可进行实验测量，如图5所示。

（4） 依次打开水平面测力显示平台的开关、竖直拉力显示平台的开关，然后按清零按钮对水平面测力显示平台和竖直拉力显示平台进行清零测试。竖直方向测力计示数用F_{\mathrm{浮}}表示，水平面测力计示数用G_{\mathrm{排}}表示。清零后，F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{排}}=\mathrm{0}\mathrm{N}。

（5） 打开Phyphox软件，用手机蓝牙依次连接“F₀₁”“G₀₁”热点，载入“阿基米德程序”；点击启动按钮，选择“数据或图像1或图像2”查看同步实验数据。

（6） 选择减速电机控制端的操作平台，按下“绿色”开关，即可通过电动机控制测力计下降，随即电动机将重物浸入水中，就能改变物体排开水的体积。为减少误差，可测得多组实验数据。将测得的实验数据录入如表1所示的实验数据记录表中。

（7） 实验完毕，关闭电源，整理器材。

【实验结论】在误差允许范围内，浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于其排开的液体所受的重力，这就是著名的阿基米德原理，可用公式表示为：F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{排}}。

4 创新点

原有阿基米德原理的实验操作过程较为烦琐，F_{\mathrm{浮}}和G_{\mathrm{排}}的关系不能直接呈现，学生不容易得出结论。采用数字化测力计，使用清零功能，可以直接测出浮力和排开水所受的重力，实验步骤简单、现象直观、数据准确。教师在做演示实验时，可以将数据通过Phyphox软件发送到平板电脑或台式电脑上，便于学生查看和记录数据；用于学生分组实验时，教师可以通过Phyphox软件直接呈现某一小组的数据，便于掌握学生实验的情况。采用电动机控制测力计下降幅度，测力计示数稳定，双挂钩使测力计正对着学生，便于其观察和读数。

5 结语

一线师生应有效利用好身边的器具、材料等素材，自主开发物理实验器材，同时利用数字化智能平台、多媒体、平板电脑、传感仪器等信息化设备，实现实验数据及现象的可视化和实验数据采集的实时化。

智能手机集成了多种传感器，在物理实验教学中的应用相当广泛，如加速度传感器、重力传感器、光传感器、压力传感器和磁传感器等，这些传感器结合相应的App软件，可以测量压强、磁场和加速度等多种物理量，为物理实验教学创造了极为便利的条件。智能手机在物理实验教学中的应用涵盖了传感器应用、App应用、教学资源获取，以及虚拟实验与仿真等多个方面，不仅丰富了物理实验教学的内容和形式，更提高了学生的学习兴趣和效果。

Phyphox软件的远程访问功能更是扩展了实验的边界，允许学生即使在校外也能进行实验操作，这为物理实验教学提供了新的模式和可能性。因此，Phyphox软件在物理实验教学中的应用前景广阔，它不仅能够提高教学质量，还能激发学生的学习热情，培养他们的创新能力和科学探究精神。随着技术的不断发展和教育需求的日益增长，Phyphox软件有望在未来的学科教育实践中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1] 彭前程，杜敏.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2013.

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022. （上接第63页）

[3] 结语

[4] 此实验装置能很好地辅助教与学，除可以探究教材中压力、接触面粗糙程度是否会影响滑动摩擦力大小外，还能轻松地探究速度、接触面积是否会影响滑动摩擦力的大小，且测量精确。直接利用编程机器人套件的材料，组装简便快捷，充分发挥了学科之间的联系，体现了初中物理新课程理念中的跨学科融合特点。

[5] 广大教师可以根据学生的学习需求和教学目标制作适合的教具，便于学生理解和掌握知识；激发学生的兴趣和创造力；降低教学成本，提高教学效率。

[6] 改进方法的创新方式是不断变化的，对于教学中的探究实验或微实验，只要在原有的基础上引领学生大胆创新，换个视角或方法去探究，就一定能取得较好的教学效果。

基金资助

2023年贵州省教育科学规划重点课题“基于‘PBL’教学法初中物理跨学科教学的实践研究”(2023A033)

2023年毕节市教育科学规划课题“基于‘三新’背景下高中物理课堂教学融入HPS理论的深度学习实践研究”(2023B159)

2024年贵州省教育科学规划一般课题“素养本位视域下初中物理‘大单元+跨学科’教学的实践研究”(2024B187)

2024年贵州省教育科学规划一般课题“基于STEAM理念初中生物学‘微项目’设计的实践研究”(2024B206)

毕节市教育科学规划课题“科学教育‘加法’助推‘双减’的实践研究”(2023B017)