基于Phyphox探究光敏电阻特性的创新设计

摘要

以《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》为导向，针对普通高中物理教材中“观察光敏电阻的特性”演示实验的不足，对其进行创新改进。利用智能手机上的Phyphox软件直观显示光照强度的变化情况，并用数字万用表快速测量光敏电阻阻值，有效突破实验教学难点；借助Excel软件分析实验数据，直观呈现实验结论。在教学中，引导学生参与实验探究的全过程，培养学生学习物理的兴趣，促进学生核心素养的养成。

Graphical abstract

关键词

Phyphox软件 / 光敏电阻 / 特性 / 自制教具 / 核心素养 / 创新设计

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）指出：要积极探索信息技术与物理实验的融合教学，创设真实情境，发展学生的高阶思维，培养学生的核心素养^［1］。Phyphox作为一款手机软件，具有功能强大、免费开源的特点，已成为物理教育者的得力助手。Phyphox软件能够直观、清晰地把物理量呈现在学生眼前，故无论是课内还是课外，都能够利用其轻松开展物理实验^［2］。人教版高中物理选择性必修第二册第五章第二节“常见传感器的工作原理及应用”有“观察光敏电阻的特性”内容，《课标》对其的要求是教师通过演示实验，帮助学生了解光敏电阻的特性，认识传感器的工作原理^［3］。但教材实验较为粗糙，实验演示效果不理想，导致学生对光敏电阻特性了解不够深入，从而影响了学生学习的质量。基于以上问题，笔者自制一款教具，利用数字万用表测量光敏电阻阻值，并借助Phyphox软件实时显示光照强度变化。该方法有效突破了传统教学中光敏电阻特性曲线的探究难点，具有操作简便、耗时短的优点，不仅显著提升了实验教学效率，还能帮助学生深入理解光敏电阻特性，从而促进其学科核心素养的养成。

1 设计思路

在设计自制教具过程中，需要解决如下困难。

（1） 如何改变光照强度？

方法策略：选择白炽灯（12 V，5 W）作为光源，由学生电源提供电源，当电压逐步设定为2 V、4 V、6 V、8 V、10 V、12 V、14 V、16 V时（距离和环境固定），白炽灯的亮度随之显著增加，即光照强度逐渐增大。此方法可行性表现为选材易、价格低、现象明显、操作简单、易推广等。

（2） 如何测量光照强度？

方法策略：在智能手机上安装Phyphox软件，光照射到手机屏幕上，即可借助传感器感知光照强度变化，并以图像方式在Phyphox界面显示出来，使实验颇具视觉冲击力，能增强实验的可视化效果和直观性。

（3） 如何解决光敏电阻阻值的测量问题？

方法策略：光敏电阻是一种特殊的电阻，其阻值随光照强度的变化而显著变化。因阻值跨度太大，故用普通万用表测量时需要换挡，操作较为复杂。笔者尝试采用数字万用表（型号FS8233）测量光敏电阻阻值，该款数字万用表具有自动识别、实时测量和数据显示功能，能精确显现光敏电阻的阻值及单位，方便观察和记录光敏电阻在不同光照强度下的阻值变化，有助于学生更好地了解光敏电阻的特性。在实验中，将光敏电阻与数字万用表连接即可直接测量其阻值。数字万用表的高精度为获取可靠数据提供了保障，从而为研究光敏电阻的特性奠定了良好基础。

（4） 如何规避外界光照强度的影响？

方法策略：用木板制作一个黑箱，内部与外界光源隔绝。将白炽灯、手机、光敏电阻安装在箱内，并调整光敏电阻与手机屏幕到白炽灯的距离相等、朝向相同，从而使两者表面接收到的光照强度大致相同。

2 自制教具制作

2.1 制作材料

薄木板、白炽灯（12 V，5 W）、学生电源、光敏电阻、数字万用表（型号FS8233）、导线、安装有Phyphox软件的智能手机、螺丝钉若干、黑色自粘纸等。

2.2 制作过程

按尺寸切割木板，组装成一个带盖的黑箱。在箱盖内侧钻孔，将白炽灯和光敏电阻分别嵌入黑箱内，并将光敏电阻的两脚通过导线与数字万用表相连；将光敏电阻安装在靠近智能手机光传感器的位置；盖上箱盖后使白炽灯恰好位于光敏电阻和智能手机光传感器正上方，用热熔胶固定白炽灯；最后，用黑色自粘纸平整地贴满黑箱内壁。自制教具成品如图1所示。

3 实验过程及数据分析

3.1 实验过程

按照图1组装好实验器材，实验操作步骤如下。

（1） 打开手机Phyphox软件，点击菜单栏目中的“光”按钮；将手机放入黑箱中与光敏电阻齐平，设置手机与“班班通”同屏，学生即可通过“班班通”实时观察光照强度的变化；点击“开始”按钮，关闭黑箱盖。

（2） 打开数字万用表开关，将表笔插入对应接口，此时数字万用表示数为光敏电阻的阻值。

（3） 接通学生电源，将旋钮置于2 V挡，快速记录数字万用表示数；切换到4 V挡，快速记录数字万用表示数；重复以上操作，直到16 V挡，关闭学生电源。与此同时，将数字万用表示数依次填入表1中。

（4） 打开黑箱，取出手机，点击按钮结束数据采集，调整手机屏幕，让图像集中呈现，如图2所示；点击选取数据，在图像相应位置点击屏幕，就会显示出光照强度数值，对应地将数值依次填入表1中。

3.2 数据分析

利用Excel图像拟合功能分析数据。具体按照以下步骤进行操作：①打开Excel软件并创建一个新的工作表；②将表1数据录入Excel工作表中，确保表1数据与Excel工作表中数据一致；③在Excel工作表中，选择数据所在的单元格范围；④点击菜单栏中的“插入”选项，选择“图表”下拉菜单中的“散点图”；⑤在散点图中，可以看到数据点在图表中的分布情况，也可以使用Excel中的工具对数据进行初步分析，例如添加趋势线等；⑥根据需要调整图表中的颜色、字体和布局等设置，使图表更加美观和易于理解。以上操作步骤能将表1数据导入Excel工作表中，实现图像拟合功能，得到光敏电阻特性曲线。与学生手工绘制图像相比，该方法快捷、美观。根据表1实验数据拟合出的曲线，如图3所示。

多次实验结果表明：光敏电阻的阻值对光照强度的变化非常敏感，即随着光照强度的改变，其阻值迅速发生变化。利用这一特性可以在生活中实现自动控制，如光控开关的应用、智能家居系统、光电计数器、光电传感器等。

3.3 优点与局限性

该教具在教学中的应用具有以下优点和局限性。

（1） 制作教具的过程本身就是一种实践和探索的过程，它能够让学生切身体验到科学原理和现象的实际应用，从而激发学生的学习热情。通过亲手参与制作、实验、记录数据和分析结果，学生可以更深入地理解和掌握相关知识与技能，锻炼动手能力，培养合作意识和创新思维。

（2） 自制教具的操作简单、实验时间短，为教师提供了更多的教学时间，教师可利用这些时间充分组织教学活动，满足不同学生的学习需求，从而提高教学效率。

（3） 自制教具的实验器材易得、成本低廉，师生可以根据自己的实际情况和需求，灵活地选择实验材料制作教具。这种自制的实验器材不仅可以节省实验教学费用，还可以更好地适应教学需求，提高实验的灵活性和适应性。

（4） 自制教具也存在一定的局限性。例如，随着电压和电流的变化，电流的热效应可能会对光敏电阻的阻值产生影响。因此，在实验过程中需要尽可能地减小误差，即应该快速完成实验数据的采集，提高实验结果的准确性。

总而言之，教师只有充分认识自制教具的优势与局限，并在教学中灵活应用，才能有效提升学生的科学素养和自身的教学效果。

4 结语

上述实验教学活动旨在探究光敏电阻的特性，并借助生活中易得的物品制作一款简单实用的教具，用于丰富学生的学习过程。采用手脑并用、协作互动的方式，就能在轻松愉快的氛围中使知识得到内化。

自制教具的设计灵感源于生活中灯泡的亮度随电压变化的现象。通过智能手机与Phyphox软件的配合，解决了以往光照强度测量困难的问题。毫无疑问，在物理实验教学中，将手机的传感器与应用软件相结合的教学方法，已成为一种新的时尚。

当学生拟合出光敏电阻的特性曲线时，才真正体验到了物理的美其实就在身边。这样的实验项目不仅易于让学生更深入地理解光敏电阻的特性，还易于激发其对物理学习的热情和兴趣。笔者希望，今后能够有更多的物理教师善于应用新兴科技，营造真实的情境，创造出更多的实验成果来服务于教学，全方位提升学生的核心素养。笔者还相信，通过对实验装置和实验教学方法的创新，能够为学生提供更丰富、更深入的学习体验，助力学生成为具有科学素养的未来创造者和领导者。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 邹丽晖.人教版《物理》选择性必修第二册“第五章传感器”编写说明［J］.中学物理，2020，38（23）：26-28.

[3] 刘长付，万军，郝臣，等.“光敏电阻特性曲线的研究”创新实验［J］.中学物理，2023，41（21）：53-55.

基金资助

2021年毕节市教育科学规划立项课题“基于STEAM教育理念的初中物理实验趣味化设计与实践研究”(2021122)

2022年毕节市教育规划立项课题“农村中学物理学科自制教具开发应用的实践研究”(2022B050)