مقدمه
یکی از مشکلاتی که بسیاری از دانش‌آموزان با آن روبه‌رو هستند نبودن دروس عملی و تجربه شهودی در بسیاری از دروسشان است. این امر باعث می‌شود پس از فارغ‌التحصیلی توانایی‌های عملی آن‌ها بسیار پایین باشد و نتوانند برخی از مسائل را به‌صورت شفاهی توضیح دهند. سیستم‌عامل اندروید و ios برای برخی از این مشکلات نیز راه‌حل‌هایی دارد که در این مقاله به آن پرداخته شده است.
physics toolbox sensorsuite عنوان مجموعه‌ای از ابزارهای فیزیک است که توسط Vieyra Software توسعه یافته و در مارکت بزرگ گوگل‌پلی منتشر شده است. بنا براین با توجه به در دسترس بودن تلفن‌های همراه و سهولت استفاده از آن می‌توان برای انجام آزمایش و اندازه‌گیری بسیاری از کمیت‌ها مانند میدان مغناطیسی، فشار، دما، شتاب حرکت و ... می‌توان از این ابزار استفاده نمود. البته برنامه‌های زیاد دیگری نیز در راستای این هدف طراحی شده که قابل نصب روی تلفن‌ها و یا تبلت‌ها است، همچون Physics Ideal ، Formulas Physics و Physics Completeما در این مقاله در مورد مهم‌ترین بخش‌های physics toolbox sensor suite توضیح می‌دهیم و در هر مورد با مثالی کاربرد آن را بررسی می‌نماییم. این نرم‌افزار به معلمان و دانش‌آموزان کمک می‌کند تا کمیت‌های فیزیکی را به‌راحتی اندازه‌گیری و نتایج را بر روی صفحه دیجیتالی مشاهده کنند. از مهم‌ترین مزیت‌های این نرم‌افزار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• مفید بودن برای مقاصد آموزشی، دانشگاهی و صنعتی
• انجام آزمایش‌های مختلف فیزیکی و به دست آوردن نتایج دقیق
• بهره بردن از تمامی سنسورها و ترکیب آن‌ها برای آزمایش‌ها
• نمایش دادن نتایج بر روی صفحه دیجیتالی
• پشتیبانی از انواع دستگاه‌های هوشمند اندرویدی
نصب و اجرا نرم‌افزار
این نرم‌افزار با عنوان physics toolbox sensor suite در Google play یا app store قابل دانلود و نصب روی دستگاه‌های اندروید و ios است و نصب آن نیز بسیار ساده می‌باشد. پس از نصب و اجرای برنامه صفحه‌ای مانند شکل (۱) باز می‌شود. از منوی بالا سمت چپ علامت ≡ را لمس کنید. در این بخش قابلیت‌های نرم‌افزار و کمیت‌هایی را که می‌توان با آن اندازه‌گیری کرد مشاهده خواهید نمود (شکل ۲).
شکل ۱. نمایی از صفحه اصلی (الف) و صفحه نمایش کمیت‌های قابل اندازه‌گیری نرم‌افزار (ب)
شکل ۲. نمایی از صفحه نمایش مؤلفه‌های نیروی گرانش
توضیحات کلی
برای استفاده از هر بخش نرم‌افزار، بعد از انتخاب آن و ورود به بخش مورد نظر، با لمس گزینه (i) اطلاعاتی همچون نام سنسور، نرخ نمونه‌برداری، توضیحات و اصول اندازه‌گیری و یک سری لینک برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد کمیت اندازه‌گیری و نحوه اندازه‌گیری سنسور در دسترس شما قرار می‌گیرد.
با لمس () فایلهای ذخیره شده قابل دریافت می‌شوند.
با لمس (•) تنظیمات مورد نظر خود را در هر حالت اعمال می‌کنیم؛ تنظیماتی مانند نوع خط نمودارها، تنظیمات صفحه‌نمایش، کالیبره سنسورها و ... که برخی از گزینه‌های آن در زیر ذکر شده است.
Displyaxis
Graphdisplay
Data display
Elapsed time
Use current local time
Cvstime stop format
Calibrat
Collection rate
Line with
همان‌طور که پیش‌تر گفته شد برای اندازه‌گیری هر کمیت آن را از منو (≡) انتخاب نموده و وارد صفحه اندازه‌گیری آن کمیت می‌شویم. سپس هر نوع تنظیمی را که مورد نظرمان است اعمال می‌کنیم و برای ثبت اندازه‌گیری علامت (") را لمس می‌نماییم. با لمس (") می‌توان اندازه‌گیری را متوقف و ذخیره نمود. فایل ذخیره شده با هر سیستمی که می‌خواهیم قابل اشتراک‌گذاری است. فایل ذخیره شده عموماً با فرمت «cvs» است و بهتر است در بخش «save as» خروجی کمیت اندازه‌گیری شده را با فرمت اکسل ذخیره نماییم.
در ادامه به معرفی کمیت‌های قابل اندازه‌گیری توسط نرم‌افزار معرفی شده می‌پردازیم.
الف. اندازه‌گیری نیروی گرانش، g force meter
در این حالت صفحه‌ای مطابق شکل زیر مشاهده می‌شود.
شکل ۳. نمایی از صفحه اندازه‌گیری شتاب خطی
در صفحه نمایش داده شده، بردار سبز معرف تصویر برآیند نیروی گرانش روی صفحه موبایل است و تصاویر آن روی محور x و y با رنگ‌های آبی و قرمز نمایش داده شده که با لمس «show component» مقادیر آن را می‌توان روی صفحه نمایش دید، و همان‌طور که در بالا بیان شد می‌توان داده‌ها را در فایل اکسل ذخیره نمود.
ب. شتاب خطی linear accelerometer
در این بخش، نرم‌افزار شتاب را در راستاهای مختلف اندازه‌گیری می‌کند و می‌تواند برحسب زمان نمودار شتاب را نمایش دهد. در بخش تنظیمات می‌توان ویژگی‌های خروجی مورد نظر را انتخاب نمود. در مبحث مکانیک این سنسور می‌تواند کاربردهای زیادی داشته باشد.
نمودار ۱. رسم مؤلفه شتاب در راستای عمود بر سطح زمین (z) بر حسب زمان درحالی‌که آسانسور از طبقه ۴ به طبقه ۱- حرکت می‌کند.
مثال
داخل آسانسور می‌شویم و مثلاً در طبقه چهارم، گوشی را کف آسانسور قرار می‌دهیم و شروع به ضبط می‌کنیم. سپس به طبقه منهای یک رفته و داده‌ها را ذخیره می‌نماییم. البته در حین حرکت هم می‌توان نمودار را مشاهده نمود. از طرفی فایل ذخیره شده را در اکسل می‌توان باز کرد و نمودار شتاب زمان را رسم نمود. در نمودار زیر مؤلفه شتاب در راستای «z» با زمان رسم شده است.
تحلیل نمودار
از نقطه a که شروع حرکت آسانسور است حرکت در راستای پایین شتابدار تند‌شونده است. از b تا c شتاب کاهش می‌یابد و از c تا d حرکت یکنواخت و شتاب صفر است و از «d» به بعد شتاب کاهش یافته و در «f» شتاب صفر و جایی است که آسانسور متوقف شده و پیک آخر (g) نمودار ضربه‌ای است که آسانسورهای معمولی در هنگام توقف وارد می‌کنند.
ج. اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای، geroscope
این سنسور سرعت زاویه‌ای را در راستای سه محور اندازه می‌گیرد.
بعد از فعال نمودن این بخش می‌توان در قسمت تنظیمات فرکانس نمونه‌برداری و نحوه نمایش نمودارها را تنظیم نمود که البته بهتر است وضعیت نرمال انتخاب گردد.
شکل ۴. نمایی از صفحه اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای
مثال ۲: استفاده از گردونه آتش برای حرکت دورانی: در این حالت باید موبایل را روی گردونه ثابت نمود تا در حین حرکت آسیبی به آن نرسد.
مثال ۳: فعال نمودن سنسور و چرخیدن به دور خود
د. فشارسنج، barometer
این سنسور بسیار پرکاربرد و استفاده از آن بسیار آسان است.
شکل ۵. نمایی از صفحه اندازه‌گیری فشار برحسب هکتو پاسکال
مثال ۱: در آزمایشگاه جاهایی که داشتن فشار هوا نیاز است، مانند آزمایش بویل ماریوت بدون جیوه در کتاب آزمایشگاه علوم تجربی دهم.
مثال ۲: اندازه‌گیری فشار در ساعات مختلف روز
مثال ۳: گرم نمودن هوای داخل یک محفظه و بررسی تغییر فشار با دما
مثال ۴: اندازه‌گیری فشار در طبقات یک برج ۲۱ طبقه و مشاهده رابطه فشار هوا با ارتفاع
نتیجه: از این آزمایش می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش ارتفاع مقدار فشار هوا کاهش پیدا می‌کند و حتی می‌توان بررسی نمود تغییرات به ازای هر متر تغییر ارتفاع یکنواخت است یا نه.
ه. roller coaster، اندازه‌گیری همزمان چند کمیت
در این بخش می‌توان به‌طور همزمان کمیت‌های فشار، شتاب، نیروی گرانش و سرعت زاویه را اندازه‌گیری کرد و در بخش تنظیمات انتخاب نمود که کدام دو نمودار نمایش داده شود.
شکل ۶. نمایی از صفحه اندازه‌گیری همزمان چند کمیت
و. ruller، خط‌کش
فاصله بین دو انگشت (نقاط تماس با صفحه گوشی)
شکل ۷. نمایی از صفحه خط‌کش
ز. اندازه میدان مغناطیسی، Magnetic Feild
در این بخش می‌توان میدان مغناطیسی را در مقیاس میکروتسلا اندازه‌گیری می‌کرد. اگر هم بخواهیم فقط مقدار برآیند میدان را نمایش دهد می‌توانیم در بخش تنظیمات تیک «graph» را برداریم.
در استفاده از این سنسور، اگر بخواهیم میدان مغناطیسی زمین را اندازه بگیریم باید سخت‌افزار از رساناها به‌دور باشد.
مثال ۱: با توجه به اینکه میدان مغناطیسی زمین دائماً در حال تغییر است می‌توان در یک بازه زمانی دلخواه میدان مغناطیسی را اندازه گرفت و تغییرات را در آن بازه زمانی بررسی نمود.
مثال ۲: با نزدیک کردن گوشی به آهن‌ربا می‌توان تأثیر میدان را با تغییر فاصله از آهن‌ربا بررسی نمود.
مثال ۳: می‌توان گوشی را در یک فاصله مساوی از آهن‌رباها قرار داد و میزان میدان آن‌ها را با هم مقایسه کرد.
مثال ۴: طرح پژوهش‌های مختلف مانند بررسی تغییر میدان با ارتفاع
شکل ۸. نمایی از صفحه میدان مغناطیسی
ح. قطب‌نما، compass
برای استفاده از قطب‌نما و مثلاً تعیین شمال و جنوب جغرافیایی باید علامت به‌اضافه (+) دقیقاً در مرکز دایره قرار گیرد.
مثال: در کتاب آزمایشگاه دهم جهت‌های جغرافیایی با عقربه‌های خورشید تعیین می‌گردد شما می‌توانید بعد از آن کار با ساعت نیز درستی آن را با گوشی محک بزنید.
شکل ۹. نمایی از صفحه قطب‌نما
ط. جی پی اس، GPS
از این قابلیت برای نمایش طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع استفاده می‌شود. گوشی هوشمند سیگنال‌های رادیویی را از ماهواره‌هایی که زمان دقیق نشان داده شده از یک ساعت اتمی را ثبت می‌کنند دریافت و شناسایی می‌کند و با فرکانس‌هایی که با فرکانس‌های رادیویی GPS منطبق است، هماهنگ می‌سازد. با مشاهده زمان دریافت سیگنال رادیویی، شما می‌توانید فاصله آن را از ماهواره با استفاده از سرعت شناخته شده نور (با برخی از اصلاحات به علت اثرات نسبیتی) تعیین کنید. این کار با حداقل چهار ماهواره برای تلفن جهت تعیین موقعیت آن از چندین جهت انجام می‌شود و به گوشی هوشمند اجازه می‌دهد مختصات طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع را بر روی سطح زمین تعیین کند.
شکل ۱۰. نمایی از صفحه جی‌پی‌اس
ی. شیب‌سنج، Inclinometer
در این بخش زوایای موبایل با بردارهای x ،y ،z نمایش داده می‌شود.
شکل ۱۱. نمایی از اندازه‌گیری زوایا
ک. اندازه‌گیری شدت نور، Lightmeter
با این ابزار اندازه‌گیری شدت نور محیط در فضای موجود قابل اندازه‌گیری است.
مثال: در آزمایشگاه علوم تجربی یازدهم بخش مقاومت‌های نوری در حالتی که
اجسام گرم می‌شوند و از خود نور ساطع می‌نمایند، می‌توان از این ابزار
استفاده نمود و شدت نور را اندازه‌گیری کرد.
شکل ۱۲. نمایی از صفحه اندازه‌گیری شدت نور
ل. اندازه‌گیری شدت صوت، soundmeter
شدت صدای پخش شده را برحسب دسی‌بل نشان می‌دهد.
شکل ۱۳. نمایی از صفحه اندازه‌گیری شدت صوت
م. اندازه‌گیری فرکانس صدا، Tone detector
مثال ۱: اولاً صدا توسط دانش‌آموزان تولید و درک ذهنی آن‌ها از فرکانس تقویت شود، ثانیاً تأثیر سرعت بر فرکانس دریافتی (پدیده دوپلر) مشاهده شود و ثالثاً، با استفاده از دو بخش سنجش صوت صدا و سنجش فرکانس، می‌توان به تفهیم و اصلاح کج‌فهمی‌ها در بخش صوت به دانش‌آموزان کمک نمود.
شکل ۱۴. نمایی از صفحه اندازه‌گیری فرکانس صدا
ن. اسیلوسکوپ، Osciloscope
می‌توان نمایش صداهای جاری و یا تولید شده را به‌صورت موج دید.
اسیلوسکوپ شکل موج صدای تولید شده را نمایش می‌دهد.
شکل ۱۵. نمایی از صفحه اسیلوسکوپ
س. آنالیز طیف صدا، Spectrum Analyzer
با استفاده از این بخش می‌توان طیف صوت را به نمایش گذاشت. در زیر نمودار پیک فرکانس را نمایش می‌دهد (شکل ۱۶)
شکل ۱۶. نمایی از صفحه آنالیز طیف صدا
ع. spectogram
اسپکتوگرام نمایشی از طیف فرکانسی صوت یا دیگر سیگنال‌هایی است که نسبت به زمان تغییرات زیادی دارند.
از اسپکتوگرام می‌توان برای شناسایی کلمات گفته شده به‌صورت آوایی و تحلیل آواهای مختلف حیوانات استفاده کرد. یکی از کاربردهای بسیار مهم اسپکتوگرام، تحلیل صوت با استفاده از روش‌های پردازش تصویر است؛ چون در این روش، صوت به‌صورت تصویر مدل‌سازی می‌شود.
شکل ۱۷. نمایی از صفحه اسپکتوگرام
ف. اندازه‌گیری همزمان Multi record
در این بخش می‌توان چند کمیت دلخواه را با تیک زدن مشخص کرد و با هم ثبت و اندازه‌گیری نمود.
شکل ۱۸. نمایی از صفحه اندازه‌گیری همزمان چند کمیت
ص. تولیدکننده صدا، Tone generator
در این بخش فرکانس صدایی را که نیاز داریم تولید می‌کنیم و حتی می‌توانیم نوع موج را هم مشخص کنیم که سینوسی، مربعی، مثلثی یا دندان‌اره‌ای است.
البته در سطح فیزیک دبیرستانی همان موج سینوسی کفایت می‌کند.
مثال: تعیین آستانه شنوایی هر شخص و ماکزیمم فرکانسی که می‌تواند بشنود.
برای این کار به تدریج فرکانس صدای تولید شده را با علامت‌های + و - کم و زیاد و در درک فرکانس به دانش‌آموز کمک می‌کنیم؛ حتی در فهم زیر و بم بودن صدا.
شکل ۱۹. نمایی از صفحه تولید صدا
ق. مولد رنگ، color generator
در این بخش هر رنگی که بخواهیم صفحه به آن رنگ در می‌آید.
شکل ۲۰. نمایی از صفحه مولد رنگ
ر. استروبوسکوپ، Stroboscope
برای اینکه بتوانیم اجسام متحرک را ثابت ببینیم باید با فرکانسی معادل فرکانس حرکت آن‌ها به‌صورت لحظه‌ای به آن‌ها نور بتابانیم. در این بخش می‌توان با فرکانس چشمک زدن ال‌ای‌دی موبایل را تنظیم نمود.
مثال: ثابت نشان دادن پره پنکه در تاریکی و برعکس نیز، با تغییر دادن فرکانس استروبوسکوپ می‌توانیم جسم متحرک را ثابت ببینیم و نتیجه بگیریم که فرکانس چرخش چقدر است.
شکل ۲۱. نمایی از صفحه استروبوسکوپ
ط. رسم نمودار Manual data plot
در این بخش می‌توان یک سری عدد و واحد به نرم‌افزار داد و با زدن تب Plot نمودار آن‌ها را مشاهده کرد.
مثال: رسم هر نمودار خیلی سریع در کلاس
شکل ۲۲. اولین شکل سمت راست: نمایی از صفحه رسم نمودار
شکل وسط: یک‌سری داده در جاهای خالی درج شده است.
شکل آخر از سمت راست: رسم نمودار
ض. رسم نمودار دو به دلخواه
در این بخش از بین دو کمیتی که انتخاب می‌کنید می‌توانید نمودارش را به‌صورت لحظه‌ای مشاهده نمایید.
مثال: رسم همزمان نمودار شتاب و فشار
شکل ۲۳. اولین شکل از سمت راست، نمایی از صفحه انتخاب سنسور و دومین شکل رسم همزمان نمودارهای انتخابی توسط کاربر
منابع
1. https://www.vieyrasoftware.net/
2. google play
3. app store