基于手机phyphox软件的匀速圆周运动实验探究

TECHNOLOGY AND INFORMATION

工业与信息化

基于手机phyphox软件的匀速圆周运动实验探究

张明硕 任飞 刘雪然 王瑞龙

(通讯作者)

 丁益民

湖北大学物理与电子科学学院 湖北 武汉 430062

摘 要 向心加速度是中学物理教学的重点内容，但课堂上很少有实验的直观感受。但可以利用智能手机上的

phyphox软件中向心加速度功能，分别测出角速度ω和加速度a的大小。通过origin软件对数据进行线性拟合，得出

a-ω

2

图像，定量验证向心加速度公式a=r。

关键词 向心加速度；智能手机 phyphox；origin

引言

传统物理课堂在讲解向心加速度公式时，常常仅有数学的

推导，并不能让学生直观感受公式a=r。但是，多数智能手机都

集成了多种高精度、高灵敏度的传感器，如同可移动的物理实

验平台。随着智能手机逐步被运用于物理实验中，就产生的许

多有趣简洁的测量向心加速度的方法。文献1全面介绍了基于

手机传感器的phyphox软件的功能，并给出了多种传感器应用

实例来说明其在物理教学中的应用

[1]

；文献2介绍了phyphox的

应用，最后总结phyphox软件的优缺点，并对phyphox在物理教

学中的应用前景作了展望和思考

[2]

；文献3制作的装置能形象直

观地演示在匀速圆周运动中，向心加速度、角速度、半径三者

的定性关系，实验现象明显，能收获较好的教学效果

[3]

。本文

在此基础上，选择在水平转盘上匀速转动智能手机，测量向心

加速度和角速度，以此来验证向心加速度公式。该实验方法简

单，实验器材容易获得，学生自己就可以进行实验测量，并且

结果精确，具有较高的推广价值。

1  实验器材及实验步骤

本实验由装有phyphox的智能手机，电脑，调速电机套

装，圆形转盘，转动轴承组成。

具体操作步骤如下：

将手机放在转盘上，电机带动转盘匀速转动，三个轴承

120°角支撑转盘边缘用来减小转盘抖动，通过调节变速箱可以

实现不同角速度的匀速圆周运动。在不同的半径r下，通过测量

加速度 a与角速度ω大小，确定 a与ω的定量关系。

打开手机phyphox软件，点击向心加速度功能，将手机固

定在转盘上。

测量此时手机近圆心边缘到转盘圆心的距离，调节变速

箱，以不同转速匀速转动转盘，点击运行后使手机记录足够的

数据。

软件关闭运行后停止转动，将实验数据导出。

更换手机固定点，即改变半径r,重复上述步骤。

2  实验数据与处理

表1  实验数据统计表（r=15.00cm）

ω （rad/s）

2.318

2.718

2.965

3.257

3.521

3.825

4.060

4.358

4.620

4.821

ω

2

（rad

2

/s

2

）

5.373

7.392

8.793

10.61

12.39

14.63

16.48

18.99

21.34

23.25

a（m/s

2

）

1.054

1.370

1.594

1.889

2.174

2.528

2.825

3.221

3.604

3.911

值和向心加速度平均值，并利用origin软件绘制a-图像

[4]

。

图1 数据线性拟合图像（r=15.00cm）

软件拟合图像的函数为：a=0.15990.1911，相关系数

R=0.9999。

表2 实验数据统计表（r=20.00cm）

ω（rad/s）

2.347

2.684

2.954

3.280

3.568

3.857

4.140

4.428

4.685

4.901

ω

2

（rad

2

/s

2

）

5.513

7.205

8.729

10.76

12.73

14.88

17.14

19.61

21.95

24.03

a（m/s

2

）

1.327

1.681

1.999

2.422

2.835

3.284

3.758

4.281

4.771

5.210

图2 数据线性拟合图像（r=20.00cm）

软件拟合图像的函数为：a= 0.20960.1681，相关系数

R=0.9999。

通过两条拟合线以及对应函数可以得出：线性拟合函数相

关系数接近于1，当半径r固定时向心加速度a与角速度平方ω

2

（下转第81页）

科学与信息化2021年6月下

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将手机采集的实验数据导出，求得不同转速下角速度平均

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3.3 绘图过程内外兼顾

绘图过程要结合内外两方面的数据，在绘图前要前往施

工现场收集所有实际数据，并在画图初向承包方索要数据，并

在收集后进行类比，推测出不一样的原因，为后续工作开展奠

定基础，避免出现突发状况

[7]

。详细来说就是首先在施工现场

进行考察对实际宽高，气候条件和土壤条件进行数据收集，将

客观突发因素考虑其中。其次是数据收集后和先前数据进行对

比，将误差产生原因找出，避免潜在隐患的堆积。

观因素影响施工质量问题的出现。

3.2 实行空三加密

空三加密是为内外业提供高精度数据资料的基础，其开

展的精确度直接影响最终成图的准确度，所以在开展前要仔细

在软件上检查每一个步骤，确保其构图性强，准确性高，误差

小。在实施过程中，要多方面细化考虑，首先从ATM上入手，

准确选点并联系实际确定点位可用性，其次要从Virtuozo入手，

利用其强大的构网能力进行工作，但要注意环境的影响因素，

详细内容可见表一。

技术手段

空三加密

表1 空三加密表

ATMVirtuozo

精度较高，但要确定选取点和实际构网力强，定向精度高，受环境

取点是否统一影响

光束法区域网

不确定性容易，产生误差

立体测图

最终程序，要加密检查合格后

方可进入

4  结束语

通过对文章的分析和研究得知，在社会经济体制不断改

革，测绘行业大放异彩的当下，实行基于新型基础测绘技术下

的质量控制是必要的，同时也是测绘行业市场经济的需要，基

于此，本文提出了应用像控测量技术，实行空三加密和绘图过

程内外兼顾三点策略，旨在全面减小新型基础测绘技术下质量

控制的难度，稳固当前竞争激烈的市场，提高各企业市场竞争

力，为测绘行业未来发展奠定基础。通过对文章总结可知，本

文提出的策略主要是针对实施质量控制中遇到的问题提出的解

决办法，旨在专项专治，根据其行业特异性选择合理化策略帮

助进行优化和创新。

参考文献

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新,2020(9):17-18.

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与实践[J].浙江国土资源,2020,210(10):45-46.

[3] 赵晶晶.浅谈1:10000基础测绘DLG数据更新数据的质量控制[J].

地球,2019(9):393.

[4] 徐建新,顾芒,羌鑫林,等.省级基础测绘DLG数据网格化更新研究

与实践[C].江苏省测绘地理信息学会学术年会.江苏省测绘地理信息学会

学术年会论文集.南京:《现代测绘》编辑部,2014:96-98.

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新方法研究[J].矿山测量,2018,46(3):96-100.

[6] 程立君,王德冬,刘中秋,等.基于地理国情普查成果数据的基础地

理信息增量更新方法研究[C].中国测绘地理信息学会2016学术年会.中

国测绘地理信息学会2016学术年会论文集.南宁:中国测绘地理信息学

会,2016:237-241.

[7] 王恺,李振林.基于基础地理信息数据库的地理国情数据生产及

样本处理技术方法研究[J].矿山测量,2017(2):41-43,73.

（上接第79页）

存在线性关系，向心加速度正比于角速度平方 ，即 a∝ω

2

。

线性拟合图像中斜率为向心加速度a与角速度ω

2

的比值，

即半径r。

由图像拟合的直线方程可得，当手机以半径=0.1500m做圆

周运动时，斜率0.1598，图像拟合出的半径大小与长度测量半

径大小的相对误差分别为6.6%。当手机以半径=0.2000m做圆周

运动时，斜率为0.2096。图像拟合出的半径大小与长度测量半

径大小的相对误差4.8%

[5]

。

误差可能来源于转盘转动过程中的上下抖动以及手机传感

器产生的系统误差，并且图像拟合出的半径大小与长度测量半

径大小的差值在9mm到10mm之间，这可能是传感器到手机边

缘有一定距离导致的。两组数据半径r拟合值均在实验允许误差

范围之内，对此可以判断，当角速度ω一定时，向心加速度a与

物体做圆周运动的半径r成正比，即a∝r。

综合以上分析可判断，加速度 a、角速度ω、半径 r之间的

关系为a=r。

3  结束语

利用智能手机向心加速度传感器和phyphox软件进行圆周

运动实验，给我们探究圆周运动提供了有效的途径和方法，并

且智能手机传感器法的实验误差在实验允许范围内，验证了此

方法的可行性。手机传感器在教学中可以得到很好的应用，可

以帮助学生更加直观感受物理规律，这对今后的创新性和趣味

性实验教学具有较高的参考意义。

参考文献

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科学与信息化2021年6月下

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