Опыты со смартфоном помогают изучать движение, звук и магнитное поле дома. Для начала установите приложение, которое считывает данные датчиков и строит графики. С его помощью можно оценить ускорение свободного падения, измерить скорость звука или перепад высоты между этажами. Большинство таких измерений не требует специального оборудования. Ниже разберём три опыта, нужные приложения и способы проверить точность результата.
Оглавление:
- Какие датчики есть в смартфоне
- Опыты со смартфоном: какие приложения нужны
- Как измерить ускорение свободного падения телефоном
- Как проверить результат опыта с маятником
- Как измерить скорость звука смартфоном
- Как рассчитать скорость звука
- Как узнать высоту этажа с помощью барометра телефона
- Как записать разгон и торможение лифта
- Насколько точны измерения смартфона
- Опыты со смартфоном дома и в школе: с чего начать
Какие датчики есть в смартфоне
Например, акселерометр регистрирует ускорение по трём осям. Телефон использует его данные для определения ориентации и распознавания движения, а в опытах они позволяют наблюдать толчки, вибрации и колебания. Гироскоп, в свою очередь, измеряет угловую скорость, то есть показывает, насколько быстро поворачивается корпус. Он пригодится для исследования вращения и маятника.
Магнитометр измеряет магнитное поле и помогает работать электронному компасу. Если приблизить к телефону небольшой магнит, показания изменятся. Барометр регистрирует атмосферное давление, по которому можно оценить изменение высоты. При этом набор датчиков зависит от модели телефона: перед опытом проверьте, доступны ли нужные измерения в приложении.
Для акустических опытов достаточно микрофона и динамика. Приложение покажет форму звукового сигнала и его частотный спектр, а динамик воспроизведёт заданный тон. Кроме того, камера позволяет снимать движение и разбирать его по кадрам. Датчик освещённости, если программа получает к нему доступ, помогает сравнивать освещение в разных точках комнаты.
Опыты со смартфоном: какие приложения нужны
Бесплатное приложение phyphox помогает проводить опыты со смартфоном на Android и iOS. Его разработали в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена, RWTH Aachen. Например, в нём есть готовые эксперименты с маятником, акустическим секундомером и лифтом. Программа записывает данные датчиков, строит графики и в ряде опытов сразу рассчитывает искомую величину.
Другой вариант — Physics Toolbox Sensor Suite. В нём можно выбрать отдельный датчик, наблюдать показания и сохранить запись в CSV для обработки на компьютере. Основные функции доступны бесплатно; набор режимов зависит от устройства и версии приложения.
В phyphox предусмотрено управление экспериментом через браузер. Сначала подключите телефон и ноутбук к одной сети Wi-Fi. Затем разрешите удалённый доступ в приложении и откройте указанный им адрес на компьютере. Запись можно будет запускать, останавливать и просматривать, не касаясь подвешенного телефона. Порядок подключения описан в инструкции разработчиков.
Как измерить ускорение свободного падения телефоном
Опыты со смартфоном позволяют оценить ускорение свободного падения по периоду маятника. Для этого понадобится прочный шнур, устойчивый подвес и держатель, из которого телефон не выскользнет. Закрепите устройство так, чтобы корпус поворачивался вместе с маятником при качании. Затем откройте эксперимент «Маятник» в phyphox, слегка отклоните телефон и отпустите без толчка. Гироскоп запишет угловую скорость, а приложение определит период — время одного полного колебания.
Длину маятника измеряют от точки подвеса до центра масс телефона, приблизительно до середины корпуса. Поэтому длина одного только шнура для расчёта не подходит. Для малых колебаний используют формулу g ≈ 4π²L / T², где L — длина маятника в метрах, T — период в секундах. Чем длиннее подвес по сравнению с корпусом, тем лучше телефон соответствует модели небольшого груза на нити.
Как проверить результат опыта с маятником
Ориентир для результата — около 9,8 м/с². Однако сильная раскачка, вращение вокруг шнура и ошибка в длине ухудшают оценку. Поэтому повторите запись несколько раз, каждый раз начиная с небольшого отклонения. Под установкой положите подушку и заранее проверьте крепление. Подробная схема опыта есть в документации phyphox.
У акселерометра есть особенность: в покое он показывает около 9,8 м/с², а при свободном падении — около нуля, если смотреть модуль необработанных показаний. При этом земное притяжение не исчезает: датчик перестаёт испытывать действие опоры. В режиме с программным вычитанием гравитации картина будет другой. Различие режимов объясняют разработчики приложения. Для первого знакомства с измерением g достаточно маятника.
Как измерить скорость звука смартфоном
Понадобятся два телефона с акустическим секундомером и рулетка. Поставьте устройства на известном расстоянии друг от друга, например в 10 метрах. При этом рядом с каждым телефоном должен стоять участник. Первый хлопает возле своего микрофона: оба секундомера запускаются. Через несколько секунд второй хлопает возле своего телефона, и запись времени останавливается.
Как рассчитать скорость звука
Телефон рядом с первым участником услышит первый хлопок раньше другого устройства, а второй хлопок — позже. У второго телефона задержки будут обратными. Поэтому разница показаний равна времени, за которое звук проходит удвоенное расстояние между телефонами. Скорость звука рассчитывают по формуле v = 2d / |t₁ − t₂|, где d — расстояние в метрах, а t₁ и t₂ — показания секундомеров в секундах. Такая методика описана в учебном опыте Института физики.
При температуре около 20 °C ожидаемая скорость звука в воздухе составляет примерно 343 м/с. Перед измерением выберите тихое место без выраженного эха. Затем проверьте, что секундомеры реагируют на хлопки, а не на посторонний шум. Повторите опыт на нескольких расстояниях. Если результат сильно меняется, проверьте настройку порога срабатывания и исключите ложные остановки таймера.
Как узнать высоту этажа с помощью барометра телефона
Для этого опыта нужен смартфон с барометром. У поверхности Земли подъёму примерно на 8 метров соответствует снижение давления примерно на 1 гПа. Соотношение зависит от температуры и давления, поэтому годится для грубой оценки. В эксперименте «Лифт» приложение использует барометрическую формулу и показывает изменение высоты относительно начальной точки.
Сначала запустите запись перед подъёмом и дождитесь устойчивых показаний. Затем поднимитесь на несколько этажей. После остановки дайте графику стабилизироваться. Чтобы получить среднюю высоту этажа, разделите перепад высоты на число пройденных межэтажных промежутков. Например, между первым и пятым этажами их четыре.
Как записать разгон и торможение лифта
Одновременно можно записать разгон и торможение лифта акселерометром. При этом для стандартного эксперимента phyphox телефон держат горизонтально: используемая приложением ось направлена перпендикулярно экрану. Положение и ограничения измерений разобраны в инструкции к опыту.
На давление влияют вентиляция, движение воздуха в шахте и изменения погоды. Кроме того, у некоторых телефонов даже сжатие корпуса вызывает кратковременный скачок показаний. Поэтому лучше измерять подъём через несколько этажей, повторять поездку и сравнивать результаты. Один замер между соседними площадками даёт менее надёжную оценку.
Насколько точны измерения смартфона
Чтобы опыты со смартфоном можно было сравнивать, фиксируйте модель телефона и условия измерения. Результат зависит от датчика, его калибровки, частоты записи и условий опыта. Например, металл и магнитный чехол искажают показания магнитометра, вибрации мешают измерять плавное движение, а редкая запись не позволяет подробно рассмотреть короткий удар.
Повторение опыта помогает оценить разброс, но не устраняет систематическую ошибку. Если, например, каждый раз неверно измерять длину маятника, среднее значение g тоже будет смещено. Сначала проверьте установку, единицы измерения и выбранный режим датчика, затем сделайте несколько записей. Сохраняйте не только итоговое число, но и график: по нему проще заметить помеху или неудачный запуск.
Перед исследованием быстрых процессов посмотрите на интервалы между отсчётами в выгруженных данных. Для медленного качания маятника и короткого удара нужна разная частота записи. Большое количество знаков после запятой на экране само по себе не говорит о высокой точности.
Опыты со смартфоном дома и в школе: с чего начать
Опыты со смартфоном помогают освоить измерения: на одном устройстве можно записать колебания, сравнить звуковые частоты и проследить изменение давления при подъёме. Для начала выберите готовый эксперимент, прочитайте инструкцию и проверьте наличие нужного датчика. Затем измените одно условие, например длину маятника или расстояние между телефонами, и сравните графики.
В опытах с подвесом используйте надёжный держатель и мягкую подложку. Для измерений, от которых зависят безопасность или технические решения, нужен подходящий измерительный прибор. А для учебного исследования ценнее всего сохранить условия опыта и объяснить, почему полученный результат отличается от ожидаемого.
