Abstract
At present, the issues of developing ways to use various high-tech digital devices in the educational process, including the organization of an educational experiment, are becoming increasingly relevant. The article provides examples of the use of modern smartphones for laboratory work in physics at school. A brief review of the sensors built into smartphones and the capabilities of some applications for working with experimental data is carried out, examples of quantitative laboratory work in various areas of physics are presented.

Key words: teaching physics, school education, laboratory work, physics practicum, smartphone, mobile device, sensor, mobile app.

----------------

Эксперимент является неотъемлемой частью обучения физике, поскольку полученные теоретические знания всегда требуют экспериментального подтверждения, а объяснение результатов опытов развивает физическую интуицию и помогает решать новые теоретические задачи. Поэтому проведение лабораторных работ важно при изучении физики в школе на любом уровне, но, в особенности – на углубленном.

Зачастую школы вполне удовлетворительно оснащены оборудованием, необходимым для проведения простейших лабораторных работ. Однако при изучении физики на углубленном уровне для проведения практических работ могут потребоваться более сложные измерительные приборы. В частности, современный юный физик должен уметь применять цифровые технологии для проведения измерений и обработки данных [1, с. 7].

Для знакомства обучающихся с современными измерительными приборами существуют комплексные решения в виде цифровых лабораторий, которые поставляются в школы крупных городов России. Такие лаборатории могут применяться при организации проектной и внеурочной деятельности учащихся, а также для изучения физических явлений на качественном уровне (см., напр., [2 - 4]). В настоящее время различными разработчиками создано несколько популярных типов цифровых лабораторий. Однако, если в школах крупных городов они уже используются достаточно широко, то в небольших образовательных организациях такое оборудование по-прежнему отсутствует. Кроме того, все предлагаемые разработчиками реализации оборудования сильно разнятся по своим функционалу и возможностям. Поэтому цифровые лаборатории в настоящее время все еще не могут рассматриваться как единое универсальное средство для проведения измерений при проведении лабораторных работ.

Хорошим дополнением для цифровых лабораторий (а иногда и их единственно возможной доступной альтернативой) является современный мобильный телефон – смартфон. Многие смартфоны обладают техническими характеристиками, которые позволяют использовать данные аппараты для измерения ряда физических величин с вполне удовлетворительной точностью. Это дает возможность применять смартфоны при проведении многих школьных физических экспериментов.

В настоящее время смартфон есть практически у каждого учителя и у большинства школьников в нашей стране; к тому же его активно используют в быту. Все это открывает широкие возможности для проведения учениками не только школьных, но и домашних лабораторных работ, а также небольших самостоятельных проектных исследований. При этом не требуется наличия в школе цифровых измерительных систем и их выдачи школьникам на дом. Такая организация процесса экспериментального знакомства с физикой особенно актуальна в текущее время еще и в связи с активным развитием и повсеместным применением дистанционных технологий в школьном образовании.

Вопросы использования смартфонов для организации различной лабораторной и исследовательской деятельности школьников достаточно широко освещены в литературе (см., напр., [5 - 7]). При этом преобладающей тенденцией является использование данных устройств для качественного анализа окружающих явлений, хотя смартфоны позволяют проводить многие практические работы на количественном уровне [8, 9]. Такие работы могут проводиться для обучения профильных классов инженерной и физико-математической направленности, изучающих физику на углубленном уровне, в том числе для подготовки к практическим турам олимпиад.

Смартфоны снабжены широким спектром физических датчиков. Все они представляют по своей сути компактные измерительные системы. На рис. 1 представлены датчики, которыми оснащено большинство современных смартфонов. Такое разнообразие дает возможность использовать их при проведении учебных экспериментов в различных областях физики. Наряду с этими датчиками при проведении различных физических исследований могут применяться микрофон смартфона, а также его фото- и видеокамера.

Рис. 1. Примеры физических датчиков смартфонов

Для просмотра, обработки и интерпретации экспериментальных данных, полученных с помощью датчиков смартфона, существуют сотни программных приложений. Из их множества можно выделить универсальные приложения, работающие с большинством датчиков многих популярных смартфонов (например, [10,11]). При этом может оказаться, что для определенных конкретных задач лучше подойдут программы, работающие только с каким-либо одним конкретным датчиком.

Приведем пример сравнительно несложной школьной лабораторной работы, которую можно провести с использованием смартфона при изучении акустических явлений. Целью работы является исследование акустического спектра звука, издаваемого плашками металлофона. Для проведения работы требуется установить на телефон соответствующее мобильное приложение. Для мобильной операционной системы «Android» подойдет приложение «Spectroid», для операционной системы «IOS» – приложение «Sonic tools». Запустим приложение и ударим молоточком по плашке металлофона. На экране отображения спектрограммы будут видны несколько отчетливых пиков. Пик с наименьшей частотой будет отвечать основному тону звука, частоты остальных пиков – обертонам.

Измерим частоты основных тонов колебаний плашек. Каждая плашка соответствует определенной ноте. Занесем в таблицу частоты основных тонов и названия нот. Будет видно, что частоты одинаковых нот, лежащих в соседних октавах, отличаются примерно в два раза. Это и является определением музыкального интервала в одну октаву. Рассчитаем отношение частот двух последующих нот для каждой ноты. Заметим, что это отношение с учетом погрешности принимает два разных значения: и . Эти два музыкальных интервала носят названия «тон» и «полутон» соответственно. Так ноты «ля» и «соль» разделяет музыкальный интервал в один тон, а ноты си и до – интервал в один полутон.

С физической точки зрения звук, издаваемый плашками металлофона, является следствием колебаний плашки. Интересно исследовать, как зависит частота колебаний плашки от ее длины. Для этого измерим длины всех плашек и построим график зависимости частоты f колебаний основного тона от длины l плашки в двойном логарифмическом масштабе (рис. 2). Видно, что график хорошо описывается линейной функцией с угловым коэффициентом, равным –2. Полученный результат соответствует теоретической зависимости частоты изгибных колебаний планки от ее длины [13]. Следует отметить, что планка закреплена в узловых точках пластинки, совершающей такие колебания.

Рис. 2. График зависимости частоты f основного тона колебаний планки от ее длины l

Возможности смартфона как измерительного прибора огромны. Ниже даны краткие аннотации некоторых количественных лабораторных работ, которые можно рекомендовать осуществить с использованием смартфона. Выполнение данных работ, тематически относящихся к различным разделам курса физики, может продемонстрировать учителю и ученику большинство возможностей современного мобильного телефона.

1. Определение ускорения свободного падения методом ускоренной съемки. С помощью смартфона проводится ускоренная видеосъемка небольшого тела, свободно падающего вдоль расположенной вертикально измерительной ленты. При обработке полученной видеозаписи создается таблица зависимости координаты x тела от времени t, с помощью которой строится график зависимости x(t) и вычисляется ускорение свободного падения.
    
2. Изучение эффекта Доплера при свободном падении источника звука. Для проведения эксперимента необходимы два мобильных устройства. Одно из них, свободно падающее с высоты около 2 м, служит источником тонального звука с частотой ~2 кГц, а второе – неподвижным приемником, на котором включен частотомер. Поскольку скорость источника звука увеличивается пропорционально времени падения, график зависимости зарегистрированной приемником частоты f звука от времени t является линейной функцией, из углового коэффициента которой можно определить скорость звука в воздухе (см. также [12]).
    
3. Изучение затухающих крутильных колебаний. Наблюдаются затухающие крутильные колебания смартфона, подвешенного на вертикальной нити. Данные о его угловой скорости в разные моменты времени t, полученные с помощью встроенного гироскопического датчика, выводятся на экран смартфона, содержимое которого записывается в процессе колебаний. Затем строится график зависимости (t), который является типичным графиком затухающих колебаний. Из него определяются период и коэффициент затухания колебаний.
    
4. Измерение коэффициента отражения света полиэтиленовой пленки с помощью люксметра. Непосредственно над датчиком освещенности смартфона на существенном расстоянии от него располагается лампа. На датчик поочередно кладутся одинаковые пленки от канцелярских файлов и по показаниям датчика строится график зависимости логарифма освещенности от количества слоев пленки. По коэффициенту наклона полученной прямой определяется коэффициент отражения света одной пленки.
    
5. Определение расположения датчика магнитного поля в корпусе мобильного устройства. Маленький магнит ориентируют так, что один из его полюсов направлен к датчику, и медленно приближают к нему вдоль прямой. Поскольку магнит можно считать уединенным магнитным диполем, показания B датчика возрастают обратно пропорционально кубу расстояния r между магнитом и датчиком. График зависимости от обратного расстояния 1/R между устройством и магнитом является прямой линией. По точке пересечения этой прямой с осью абсцисс можно определить расстояние от края устройства до датчика в нем.
    
6. Измерение коэффициента трения между мобильным устройством и наклонной плоскостью. С помощью встроенного акселерометра измеряют модуль ускорения a смартфона при его скольжении по наклонной плоскости при разных углах ее наклона. По графику зависимости отношения a/cos от tg определяется коэффициент трения устройства о плоскость и величина ускорения свободного падения.
    
7. Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн. Путем изменения частоты звука, генерируемого смартфоном, помещенным у верхнего края пробирки, получаются стоячие волны с узлом у дна пробирки и пучностью у ее верхнего края. Строится график зависимости частоты последовательно получаемых звуков, имеющих локально максимальную громкость (звуковых мод) от их номера, из которого определяется значение скорости звука в воздухе. В другом варианте этой работы изменяется эффективная длина пробирки путем доливания в нее воды, а частота генератора звука остается постоянной.
    
8. Изучение зависимости периода изгибных колебаний балки от ее длины. В стробоскопическом освещении, полученном с помощью фонарика смартфона, наблюдаются поперечные колебания линейки, закрепленной одним концом на краю стола. Измеряются частоты f колебаний линейки при ее разных длинах L и строится график зависимости периода колебаний T = 1/f от L в логарифмическом масштабе. Поскольку исходная зависимость является показательной функцией, по полученному графику можно определить показатель n степенной зависимости периода колебаний от длины линейки T .

Эти и другие лабораторные работы, реализованные с помощью смартфона, могут проводиться как во время обязательных учебных занятий по физике в общеобразовательных учреждениях, так и в рамках внеурочной деятельности по экспериментальной физике. Данные работы требуют минимального количества оборудования и могут быть проведены как в очном, так и в дистанционном или заочном форматах. Учителя физики могут самостоятельно расширить перечень лабораторных работ, проводимых с использованием смартфона.

Также можно предложить учащимся в качестве творческого задания самостоятельно разработать и выполнить другие лабораторные работы, реализуемые с помощью смартфона – например, «Изучение колебаний гитарной струны» или «Изучение осциллограмм различных звуков».

Литература

1. Примерная рабочая программа среднего общего образования. Физика. Углублённый уровень (для 10–11 классов образовательных организаций). М.: ФГБНУ ИСРО РАО, 2022.

2. Давыдов В. Н., Яковлева Т. Г. Использование цифровой лаборатории в учебной проектной деятельности школьников // Физика в школе. 2020. № 8. С. 198-202.

3. Заболотний А. И., Ханнанов Н. К. Использование цифровой лаборатории от «Научных развлечений» в массовой школе и учреждении дополнительного образования // Физика в школе. 2015. № 8. С. 37-45.

4. Слепнева Н. И. Экспериментальная проверка качественных задач по физике на основе применения цифровой лаборатории Архимед // Проблемы современного образования. 2013. № 3. С. 102-105.

5. Зинцова И. М. Использование мобильных приложений обучающимися основной школы в домашнем физическом эксперименте // Проблемы современного педагогического образования. 2019. С. 69-73.

6. Пигалицын Л. В. Физика в смартфоне // Видеонаука. 2020. № 3 (19). С. 1-3.

7. Потапова М. В. Методика проведения лабораторных и творческих работ с применением мобильных гаджетов // Концепт. 2021. №7. С. 14-30.

8. Боков П. Ю., Селиверстов А. В., Кречетов А. П. Возможности использования приложения Phyphox в работах лабораторного практикума. С. 269 – 271. // Научная конференция «Ломоносовские чтения». Секция физики. Апрель 2023. Сб. тез. докл. М.: Физический ф-т МГУ, 2023. 280 c.

9. Делябр У. Смартфоника: научные эксперименты со смартфоном. М.: ДМК Пресс, 2021. 186 с.

10. Приложение «Arduino Science Journal». URL: https://www.arduino.cc/education/science-journal [Дата обращения 02.05.2023]

11. Приложение «Phyphox». URL: https://phyphox.org/ [Дата обращения 02.05.2023]

12. Измерение скорости звука с помощью двух смартфонов. URL: https://www.youtube.com/watch?v=uoUm34CnHdE&feature=youtu.be [Дата обращения 02.05.2023]

13. Морз Ф. Колебания и звук. М.-Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. 497 с.

Рекомендовано к публикации:
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

Literature

1. Primernaya rabochaya programma srednego obshchego obrazovaniya. Fizika. Uglublennyy uroven (dlya 10–11 klassov obrazovatelnykh organizatsiy). M.: FGBNU ISRO RAO. 2022.

2. Davydov V. N., Yakovleva T. G. Ispolzovaniye tsifrovoy laboratorii v uchebnoy proyektnoy deyatelnosti shkolnikov // Fizika v shkole. 2020. № 8. S. 198-202.

3. Zabolotniy A. I., Khannanov N. K. Ispolzovaniye tsifrovoy laboratorii ot «Nauchnykh razvlecheniy» v massovoy shkole i uchrezhdenii dopolnitelnogo obrazovaniya // Fizika v shkole. 2015. № 8. S. 37-45.

4. Slepneva N. I. Eksperimentalnaya proverka kachestvennykh zadach po fizike na osnove primeneniya tsifrovoy laboratorii Arkhimed // Problemy sovremennogo obrazovaniya. 2013. № 3. S. 102-105.

5. Zintsova I. M. Ispolzovaniye mobilnykh prilozheniy obuchayushchimisya osnovnoy shkoly v domashnem fizicheskom eksperimente // Problemy sovremennogo pedagogicheskogo obrazovaniya. 2019. S. 69-73.

6. Pigalitsyn L. V. Fizika v smartfone // Videonauka. 2020. № 3 (19). S. 1-3.

7. Potapova M. V. Metodika provedeniya laboratornykh i tvorcheskikh rabot s primeneniyem mobilnykh gadzhetov // Kontsept. 2021. №7. S. 14-30.

8. Bokov P. Yu., Seliverstov A. V., Krechetov A. P. Vozmozhnosti ispolzovaniya prilozheniya Phyphox v rabotakh laboratornogo praktikuma. S. 269 – 271. // Nauchnaya konferentsiya «Lomonosovskiye chteniya». Sektsiya fiziki. Aprel 2023. Sb. tez. dokl. M.: Fizicheskiy f-t MGU. 2023. 280 c.

9. Delyabr U. Smartfonika: nauchnyye eksperimenty so smartfonom. M.: DMK Press. 2021. 186 s.

10. Prilozheniye «Arduino Science Journal». URL: https://www.arduino.cc/education/science-journal [Data obrashcheniya 02.05.2023]

11. Prilozheniye «Phyphox». URL: https://phyphox.org/ [Data obrashcheniya 02.05.2023]

12. Izmereniye skorosti zvuka s pomoshchyu dvukh smartfonov. URL: https://www.youtube.com/watch?v=uoUm34CnHdE&feature=youtu.be [Data obrashcheniya 02.05.2023]

13. Morz F. Kolebaniya i zvuk. M.-L.: Gosudarstvennoye izdatelstvo tekhniko-teoreticheskoy literatury. 1949. 497 s.