基于手机平台的物理实验过程辅助工具
目录
基于手机平台的物理实验过程辅助工具 1
摘要 1
关键词 2
前言 2
结果 3
技术思路 3
单摆测重力加速度 3
射猴问题仿真试验 4
方法与假设概述 6
数据记录与分析 7
结论概述 7
参考文献 8
摘要：
物理是一门以实验为基础的学科。按照新的课程理念,演示实验应该重视学生参与,随堂实验、学生分组实验则要尽量采用探究式,让学生真正进入科学学习的状态。这就要求学生尝试自己设计实验、选择仪器、收集数据、归纳并总结规律。然而,目前大部分学校的物理实验设备少,更新换代慢,很难满足以上要求。
为了使学生能够较为便捷地进行一些物理实验，加深对物理一些公式以及原理的理解，便于使用以及结论的获得，对一些老师的课堂教学以及学生的物理学习有帮助。目前手机软件市场上已经有类似的项目，但是却是基于IOS平台，在安卓手机上也有类似项目，不过却是关于初中物理实验的，因此我便制作了关于高中物理学习的软件.。
我结合了手机上的各种传感器，通过软件，简单直观地讲实验数据呈现在手机屏幕上。我遵循着网上的指导，自己钻研，自学了一些相关的物理实验与理论，为了能够获得更加准确的实验数据，我调查了市面上手机传感器的各种差异，最终克服问题。我在编程过程中，技术性问题非常多，我查询了《人人都能开发安卓APP——AppInventor2运用实战》、《AppInventor2中文版开发实战：Android智能应用开发前传》、《高中物理课本》等参考文献进行学习，在经过自己的不断调试，最终获得成功。
创新点：
通过开发手机程序与手机传感器结合，可以实现动画展示、判断、测量、计算，实现准确获取实验数据，并且通过表格直观展示物理实验数据。
将现实中不能实施进行展示的实验通过软件设计，辅助使用者在手机平台上完成该仿真实验。
与现在市面上的手机软件有较多不同的方面，有那些软件没有涵盖的实验辅助以及模拟。
可以不断更新物理实验辅助。
图一：软件首页
关键词：手机物理实验辅助
前言：
该项目以物理教学理论为指导，以手机为平台，借助手机上各式各样的传感器和网络技术为依托而建立的一种新型实验项目。我制作的“基于手机平台的物理实验过程辅助工具”中有“射猴实验”、“单摆测重力加速度”、“简易水平仪”三个主要的物理实验项目，但是软件项目可以不断地跟进完善。射猴问题很难在一般实验室里完成进行验证，程序使用了AppInventor的画布功能，使用仿真的方式进行验证，可以形象地演绎射猴问题试验工程。通过该仿真实验，学生可以更为透彻地理解抛物线运动的过程，对加深学生在运动力学方面的理解将有较大的帮助。而单摆测重力加速度实验实验步骤较为繁琐，需要学生使用计时器进行多次操作，且容易出现误差，使用该程序，可以辅助学生或者老师更好地完成该项目。
结果：手机软件
技术思路：
根据高中物理实验“用单摆测重力加速度”“射猴问题仿真试验”进行设计。
单摆测重力加速度
当摆角小于10度时，其摆动可以看成是简谐运动，全振动周期T=2，l为摆长，g为当地重力加速度。
记录单摆全振动次数
当金属小球静止时，手机听筒旁的接近传感器在小球正下方，距离小于等于3cm，每个手机该距离略有变动，每当小球在接近传感器上方经过时，会累积经过次数，由于一次全振动小球需要经过最低点两次，需记录全振动次数n。
计算全振动周期T以及当地重力加速度
输入摆长（绳长加小球半径），当全振动次数为10的倍数，用计时器记录总用时间t，计算周期T，根据公式计算当地重力加速度g，并列表显示，其中测试次数n用于观察小球经过最低点时接近传感器是否有感知其经过。
结论
摆长越大，小球全振动周期T越大
若周期T保留两位小数，则每次全振动用时几乎一致
图二:单摆测重力加速度页面
图三：代码界面1
图四：实验数据展示
射猴问题仿真试验
射猴问题仿真试验是高中物理运动力学教学上的经典问题。问题的内容是：假设一只猴子抓着树枝，猎人举枪直接瞄准猴子，在猎人开枪的瞬间，猴子松手了，问猎人是否能够击中猴子？多数人根据生活经验，认为如果子弹速度足够快，是可以克服重力的影响的，因此认为只要猴子及时松手，子弹是不可能击中猴子的。受制于传统的物理实验条件，射猴问题很难在一般实验室里完成进行验证，程序使用了AppInventor的画布功能，使用仿真的方式进行验证，可以形象地演绎射猴问题试验工程。程序在设计上采用了较为严格的仿真算法，实验演绎过程比传统试验更为自由。“枪”和“猴子”在画布上的位置可以任意移动。“子弹”的初速度和射击角度也可以任意设定。除了传统射猴问题实验的斜上抛运动，还可以实现平抛、上抛、下抛等任意角度的运动。通过该仿真实验，学生可以更为透彻地理解抛物线运动的过程，对加深学生在运动力学方面的理解将有较大的帮助。
1.瞄准过程的计算方法
根据“枪”和“猴子”的坐标计算出强和猴子之间的连线相对于水平线的角度的正切值，由于AppInventor目前没有反正切函数，程序上使用逐步逼近的算法，计算-90度到+90度的正切值，并与上述的正切值进行比较，从而精准地算出瞄准角度，并将图形精灵“枪”的角度设为该角度,实现“枪”瞄准的效果。
2.运动仿真计算方法
事先约定画布为横屏布局，下方为重力方向，每个像素相当于0.1米，根据用户设定的初速度，先计算该初速度下子弹移动1个像素所需的大致时间，设定仿真的时间间隔，根据该时间间隔，逐帧计算子弹和猴子的移动位置。根据运动力学原理，假设该时间间隔为t，初速度为v，射击角度为α，则子弹的x方向离起始点每帧位移为vcosαt,y方向离起始点每帧位移为vsinαt+0.5gtt。猴子的y方向离起始点每帧位移为0.5gtt。为了方便计算，这里取重力加速度为10。
图五：代码界面2
图六：代码界面3
图七：代码界面4
方法与假设概述:
为了完成该项目，我查询了许多APPINVENTOR2的编程教程，在学校社团上老师也进行了组件的辅导，开发周期也很长。我已开始毫无编程基础，当我社团课上选修了手机软件编程的选修课，老师对我的辅导非常多，从一开始的简单的计时器，指南针到JSON到运用WEB客户端调用API端口到最后能够熟练地运用手机传感器，并进行集合完成该项目。为了完成该项目与物理相关的代码，为了获得更准确的实验数据，我学习并使用了较为严格的仿真算法，程序上使用了逐步逼近的算法。代码是非常多并且枯燥的，但我在老师的帮助下，最终完成了制作。
数据记录与分析:
完成该项目对我来说是一个巨大的挑战，特别是物理相关的软件，令我头疼不已。这个软件开发周期很长，从一开始对编程，对AppInventor2一无所知到逐渐成长为了一个略知一二的学生，我在编程过程中遇到了许许多多的技术性问题。在平日的习作中，逐步深入，逐步攻克一个个难点，不断练习，通过翻看书籍，与老师探讨，解决了各种问题。在整个编程过程中，逻辑以及物理算法如何通过代码实现，是最困难的，为此琢磨了许久。一开始实验数据是紊乱的，不成章法，并伴随有种种错误，在不断地调试过程中，经过各种努力，当看到手机屏幕上出现了正确的数据时，我从未感受到如此的快乐。在编程过程中，复杂的变量以及逻辑关系使我眼花缭乱，我不得不理清思路，一部分一部分地完成我的代码块。经过钻研与老师的指导，我的应用程序已经初步成型，当程序呈现在我的面前时，心中无比自豪。
结论概述:
课题是手机软件，一切的基础都是来源于APP制作的编程选修课。这个课题涉及到的APPINVENTOR2的组件则非常的多，同时它也涉及到了物理等理科的学习，在编程过程中，我不断学习，不断巩固，只有时刻保持一颗上进的学习的心和理智冷静的头脑，才能保持逻辑思维，才能保证软件的不出错。
科学的钻研精神是编程过程中必须具备的一个要素。编程过程中是时时刻刻与失败息息相关的，一个软件，从中需要一次又一次的测试，我经过了一次又一次的实验与调试，失败成了家常便饭，此时便要有科学的钻研精神。每次软件失败或者实验出错，我都要重新观察代码，重新编排屏幕组件，仔细找出逻辑出错的地方，不断改进。无论遇到什么苦难，即使让我失去信心，我在内心不断告诉自己：既然已经迈上了这条路，就必须钻研到底。
这个软件还不完整，仍然需要不断地完善与跟进，我的目标与希望是：将初中以及高中所有的物理实验都涵盖进这个程序！我相信，只要有一颗坚韧与顽强的心，我的目标一定能够达成。
参考文献：
[1]黄仁祥，金琦，易伟。人人都能开发安卓APP——AppInventor2运用实战[M]，机械工业出版社，第一版，2014
[2].王寅峰。AppInventor2中文版开发实战；Android智能应用开发前传[M].电子工业出版社，第一版，2015.
[3]蔡艳桃AndroidAppInventor项目开发教程[M].人民邮电出版社，第一版，2014
[4]瞿绍军AppInventor移动应用开发标准教程[M].人民邮电出版社，第一版，2016
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