第３１卷第２期北京电子科技学院学报
２０２３年６月
Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅＪｕｎ．２０２３
Ｐｈｙｐｈｏｘ定制实验案例：磁倾角测量
孙学明㊀周志全㊀赵㊀成
北京电子科技学院，北京市㊀１０００７０
摘㊀要：Ｐｈｙｐｈｏｘ是一款利用智能手机传感器进行物理实验的手机应用，它支持远程访问㊁可视化数据分析和自定义实验设计，并预置了丰富的物理实验，在辅助物理教学和实验演示方面获得了众多用户的认可㊂但许多新用户由于不熟悉Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器，通常只利用了Ｐｈｙｐｈｏｘ的预置实验㊂本文以磁倾角测量为例，简要介绍如何利用Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器自定义实验，并就缓冲区设置㊁视图元素数据分析及同一图像中多组数据可视化提出相关建议㊂以期新用户可以快速掌握Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器，能够根据实际需求创建定制实验，深化Ｐｈｙｐｈｏｘ在物理教学和探究实验中的作用㊂
关键词：Ｐｈｙｐｈｏｘ；手机传感器；定制实验；Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器；磁倾角中图分类号：ＴＮ９１８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２－４６４Ｘ（２０２３）２－１６９－１７７
∗㊀作者简介：孙学明（１９７３－），男，副教授，研究方向：物理空间信息安全㊂
周志全（１９７０－），男，工程师，研究方向：物理空间信息安全㊂赵㊀成（１９７３－），男，高级工程师，研究方向：电子电路㊂
１㊀引言
㊀㊀Ｐｈｙｐｈｏｘ（ＰｈｙｓｉｃａｌＰｈｏｎｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）是由德国亚琛工业大学第二物理研究所开发的一款免费开源的手机应用，它聚合了智能手机内置传感器的数据采集功能，将手机变成了移动实验室，并预置了大量关于力㊁声㊁光㊁磁的物理实验（图１）㊂Ｐｈｙｐｈｏｘ支持远程访问㊁可视化数据分析和自定义实验设计，既可以独立完成简单实验，也可以辅助开展复杂实验，越来越多的国内外物理教育者将其用于物理教学或辅助实验［１］㊂
目前，Ｐｈｙｐｈｏｘ用户的关注点主要集中在两
个方面：一是通过问卷调查㊁统计分析的方法研究Ｐｈｙｐｈｏｘ对于物理教学效果的影响；二是探索如何有效发挥Ｐｈｙｐｈｏｘ在物理实验中的辅助作用㊂关于第一点，国内外的研究结果一致，普遍
认为利用Ｐｈｙｐｈｏｘ辅助物理教学，可以激发学生学习兴趣，降低认知负荷，提升教学效果［２－５］㊂而对于如何使用Ｐｈｙｐｈｏｘ设计实验，国内外用户稍有不同㊂如果把基于Ｐｈｙｐｈｏｘ的物理实验分为居家实验㊁课堂演示和自主探究三类，不同主要体现在自主探究类实验方面（表１）㊂对于居家实验和课堂演示，国内外用户基本都是利用Ｐｈｙｐｈｏｘ的预置实验，围绕重力加速度㊁机械振动㊁声学㊁光学等现象进行验证或演示㊂而对于自主探究类实验，国内用户主要是将手机作为新的测量工具，在辅助测量［２１－２３］或实验复杂度拓展［２４－２７］方面进行了探究，而国外用户则在实际应用［２９－３１］或创建定制实验［３２－３８］方面进行了探索㊂由此可以看出国内多数用户还停留在Ｐｈｙ⁃ｐｈｏｘ预置实验阶段，很少自行开发创新定制实验㊂造成这一现象的原因一方面是由于
北京电子科技学院学报２０２３年
Ｐｈｙｐｈｏｘ的预置实验足够丰富，基本满足了实验需求，另一方面也折射出国内用户还不熟悉Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器的使用㊂本文以磁倾角测量为例，简要介绍Ｐｈｙｐｈｏｘ的实验定制过程，以期新用户能够快速了解和掌握Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编辑器，实现创新实验的自由定制㊂
图１㊀Ｐｈｙｐｈｏｘ的预置实验
表１㊀国内外用户基于Ｐｈｙｐｈｏｘ的实验
类别基于Ｐｈｙｐｈｏｘ的实验
居家实验•重力加速度测量（自由落体法㊁机械振动法）［６－９］•转动惯量测量［１０］
•弹性碰撞定律验证［１１］
php实例计算•声速测量（声纳㊁共鸣管）［８－９］［１２］•验证多普勒效应［１３］
•验证照度定律［１４－１５］
•铁氧体磁性探究［８］
课堂演示•自由落体运动（超重㊁失重）［１６－１７］•机械振动（弹簧振子㊁单摆）［１８］•转动（向心加速度㊁角速度）［１９］•声音特性（响度㊁音调㊁音㊁声速）［２０］
自主探究国
内
•迈克尔逊干涉仪条纹计数［２１］
•单缝夫琅禾费衍射光强分布规律［２２］
•验证马吕斯定律［２２］
•定量测量刚体转动惯量［２３］
•单摆振动研究（角度与阻尼）［２４－２６］
•声压级与距离关系验证［２７］
国
外
•测量弹性碰撞恢复系数［２８］
•简易度计［２９］
•心音图和心电图［３０－３１］
•开酒瓶测声速［３２］
•测量低频ＬＣ电路磁场［３３］
•借助Ａｒｄｕｉｎｏ扩展实验内容［３４－３５］
•阻尼振荡［３６］
•滑动摩擦系数［３７］
•大量受众协作实验［３８］
２㊀利用ＰｈｙｐｈｏｘＥｄｉｔｏｒ定制磁倾角
测量实验
２ １㊀明确实验原理与目的
地磁场是地球内部和周围天然存在的磁性
现象，它既能屏蔽来自太空的射线保护地球，又
能为人们指明方向，在航海航空方面具有重要意
义㊂地磁场包括磁感应强度㊁磁偏角㊁磁倾角三
个要素，地理位置不同，地磁场参数也不同㊂磁
倾角是地磁场方向与水平面之间的夹角（图２
（ａ）），可由地磁场沿水平和竖直两个方向的分
量得到，规定北半球磁倾角倾斜向下为正值㊂利
用Ｐｈｙｐｈｏｘ调用智能手机磁力计测量当地磁场，
通常得到三个分量Ｂｘ㊁Ｂｙ㊁Ｂｚ，而手机坐标系如
图２（ｂ），将手机正面向上水平放置时，根据手机
坐标系和磁倾角的定义，磁倾角可由式（１）
得到［３９］：
㊃０７１㊃
第３１卷
Ｐｈｙｐｈｏｘ定制实验案例：磁倾角测量㊀
Ｉ＝ａｒｃｔａｎ（
－Ｂｚ
Ｂ
２ｘ＋Ｂ２ｙ
）（式１）
图２㊀地磁场的磁倾角（ａ）与手机坐标系（ｂ）
本定制实验的目的是将手机水平向上放置，通过调用手机磁力计传感器，测量地磁场强度与磁倾角，并以图像和数值形式实时显示测量结果㊂
２ ２㊀前期准备工作
首先安装Ｐｈｙｐｈｏｘ到手机：Ｐｈｙｐｈｏｘ支持
Ａｎｄｒｏｉｄ和ＩＯＳ两种操作系统，可分别在谷歌和苹果应用商店免费获取，国内Ａｎｄｒｏｉｄ用户可以登录Ｆ⁃Ｄｒｏｉｄ搜索Ｐｈｙｐｈｏｘ下载官方软件㊂
登录并熟悉ＰｈｙｐｈｏｘＥｄｉｔｏｒ：这是一款模块化可视实验编辑器，从Ｐｈｙｐｈｏｘｈｔｔｐｓ：／／ｐｈｙｐｈｏｘ．ｏｒｇ／ｅｄｉｔｏｒ／可登录㊂进入页面可看到顶部的标签选项卡和左下的两个按钮（图３）㊂
图３㊀顶部标签（上）和左下按钮（下）
顶部标签代表实验编辑的不同模块，Ｍａｉｎ选项用于添加Ｐｈｙｐｈｏｘ主界面的实验通用信息，如实验名称㊁分类㊁图标或说明等；Ｉｎｐｕｔ选项用于定义实验的数据采集设备，有音频㊁传感器㊁位置㊁蓝牙等选项可选择或自由组合；Ｏｕｔｐｕｔ定义数据的输出设备，目前只有音频㊁蓝牙两种，实验数据不需要音频输出的情况下通常用不到；Ｖｉｅｗｓ选项用于设计定制实验的视图，主要由Ｉｎｆｏ（信息描述）㊁Ｓｅｐａｒａｔｏｒ（分割线）㊁Ｖａｌｕｅ（数值显示）㊁Ｇｒａｐｈ（图形显示）㊁Ｅｄｉｔ（数值输入）㊁
Ｂｕｔｔｏｎ（按钮）等６种元素组成，可实现信息描述㊁数据可视化和简单人机交互等功能，根据需求自由组合，添加元素后可对其属性进行个性化设置；Ａｎａｌｙｓｉｓ选项为在输入㊁输出和视图选项中添加的各元素的数据建立联系，实现数据传递，联系之前必须为各数据通道建立缓冲区，需要数学运算时还须添加ｆｏｒｍｕｌａ模块进行设置；Ｅｘｐｏｒｔ选项定义需要输出保存的数据；ＸＭＬ只是显示正在编辑的实验文件的源代码，供ＸＭＬ学习或错误检查，通常可以忽略；Ｄｏｗｎｌｏａｄ／Ｔｒａｎｓｆｅｒ选项与左下的按钮Ｄｏｗｎｌｏａｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ功能相同，提供４个选项对正在编辑的实验执行分享㊁下载㊁保存等操作，而Ｌｏａｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ按钮让用户再次加载已保存实验，也可以加载Ｐｈｙｐｈｏｘ的预置实验进行再编辑㊂如果用户对于标签页中的某些属性设置不熟悉，可将鼠标悬停于该属性之后的问号上，会弹出详细解释㊂２ ３㊀完成磁倾角测量的实验编
辑
第一步：在Ｍａｉｎ标签页面添加实验名称㊁类
别㊁图标和实验描述等通用信息，图标可自行设计或以文字代替，本实验以文字 地磁 替代图标，同时为了区别于预置实验
，本实验颜设置为蓝（图４）实验信息描述为 测量本地磁倾角及磁感应强度大小 ；
图４㊀Ｍａｉｎ标签页中磁倾角定制实验的通用信息
第二步：测量地磁场需要调用手机磁力计传感器，在Ｉｎｐｕｔ标签页选择ｓｅｎｓｏｒ，并在ｓｅｎｓｏｒ模块下选择传感器类型为ＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄ（图５），因
㊃
１７１㊃
北京电子科技学院学报２０２３年
为实验数据无需音频设备输出，所以Ｏｕｔｐｕｔ标
签页忽略
；
图５㊀Ｉｎｐｕｔ中定义磁力计传感器
第三步：根据需求设计实验视图，本实验计划实时显示磁倾角－时间图像及数值㊁手机磁力计传感器获取的地磁场的三个分量㊂所以就分别在Ｖｉｅｗｓ标签页添加 磁倾角 和 原始数据 两组视图，其中 磁倾
角 视图下添加一个Ｇｒａｐｈ和两个Ｖａｌｕｅ元素分别显示磁倾角图像㊁数值和地磁场大小， 原始数据 视图添加三个Ｇｒａｐｈ元素显示地磁场分量Ｂｘ㊁Ｂｙ㊁Ｂｚ的实时图像㊂标记已添加元素的关键属性，如磁倾角视图中Ｇｒａｐｈ元素名称 磁倾角 ㊁ｘ㊁ｙ轴的名称分别为 时间 ㊁ 磁倾角 ，ｘ㊁ｙ轴的单位分别为 ｓ ㊁
度 ，两个Ｖａｌｕｅ元素的名称分别为 本地磁倾角 ㊁ 本地磁场大小 ，字体大小都选２号，其他属性默认即可，视图最终结果如图
６㊂
图６㊀磁倾角测量定制实验视图
第四步：Ａｎａｌｙｓｉｓ标签页定义视图数据之间的数学运算关系，本步是定制实验的关键㊂在此可以看到在Ｉｎｐｕｔ和Ｖｉｅｗｓ中添加的所有元素㊀㊀㊀
（图７，各元素已按视图分组），ｓｅｎｓｏｒ是Ｉｎｐｕｔ中添加的磁力计传感器，作为数据源输出数据，
Ｇｒａｐｈ和Ｖａｌｕｅ是在Ｖｉｅｗｓ中添加的，由于磁倾角是由原始数据计算后得到的，所以还需本页添加ｆｏｒｍｕｌａ公式计算模块，各元素之间数据通过连线传递㊂在连线之前必须为每个元素的输入输出定义缓冲区，作为它们存放数据的容器，定义了缓冲区之后输出数据接口就变为可用的橙，之后才可以连线进行数据传递㊂而对于Ａ⁃ｎａｌｙｓｉｓ中添加的ｆｏｒｍｕｌａ模块，需要设置数据计算关系，根据实验原理中磁倾角的计算公式
（１），在ｆｏｒｍｕｌａ模块ｓｅｔｔｉｎｇｓ弹出的窗口中填写：ａｔａｎ２（ａｂｓ（［３＿］），ｓｑｒｔ（［１＿］＾２＋［２＿］＾２））∗５７ ２９５７７９５１
其中ａｔａｎ２㊁ａｂｓ和ｓｑｒｔ分别为Ｐｈｙｐｈｏｘ中定
义的反正切㊁绝对值和平方根运算函数，由于ａｔａｎ２计算出来的是弧度，所以后面乘以５７ ２９５
７７９５１转换为度，［１＿］㊁［２＿］㊁［３＿］表示ｆｏｒｍｕｌａ模块中缓冲区顺序，按照图７中连线可知，分别为来自传感器数据源的ｘ㊁ｙ㊁ｚ分量的数值㊂带下划线［１＿］表示来自ｘ的所有数据，无下划线［１］表示来自ｘ的最新单值数据㊂因为视图２中３个图形显示原始数据，直接把数据传递到相应的坐标轴即可㊂登录ｈｔｔｐｓ：／／ｐｈｙｐｈｏｘ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／Ａｎａｌｙｓｉｓ＿ｍｏｄｕｌｅｓ，可了解更多Ｐｈｙｐｈｏｘ支持的数学运算㊂
第五步：在Ｅｘｐｏｒｔ标签页定义需要导出的数据组，这样在定制实验菜单中才可以有数据以Ｅｘｃｅｌ或ＣＳＶ格式导出㊂本实验只导出磁倾角与磁场强度大小，注意表明物理量与单位（图８）㊂
第六步：完成实验编辑，在Ｄｏｗｎｌｏａｄ／
Ｔｒａｎｓｆｅｒ标签页通过扫描二维码分享到手机，在Ｐｈｙｐｈｏｘ中运行检验，无误后保存实验文件，以备分享和再编辑㊂
㊃２７１㊃
第３１卷
Ｐｈｙｐｈｏｘ定制实验案例：磁倾角测量㊀
图７㊀
各元素之间数据关系分析
图８㊀Ｅｘｐｏｒｔ
定义数据导出
图９㊀Ｐｈｙｐｈｏｘ扫描二维码可获取本定制实验
３㊀关于Ｐｈｙｐｈｏｘ定制实验的几点建议
㊀㊀通过Ｐｈｙｐｈｏｘ定制实验需用户既要清楚实验的物理原理，又要了解Ｐｈｙｐｈｏｘ的可视化编程规则㊂为使初级用户快速掌握Ｐｈｙｐｈｏｘ实验编
辑器操作，本文提出以下几点建议：
第一：明确缓冲区含义，做好缓冲区设置㊂在Ａｎａｌｙｓｉｓ标签页中，各元素的输出输入端在启用前需设置缓冲区，关系到实验程序的正常运行和效率㊂缓冲区大小表示可容纳数据的数量，当前版本默认值为１０００，数据量达到１０００后，旧数据会不断被新数据替代，实验视图也将显示１０００个数据量，数据达到上限后图像会发生漂移㊂如果要保持图像稳定，可将缓冲区大小设置为０，表示缓冲区无限大，可以容纳无限数据㊂但是对于运算复杂的实验，长时间运行可能导致
手机内存不堪负重㊂清除缓冲区可以避免数据重复运算，提升实验运行效率，但如果设置不当就会影响实验数据的正常传递㊂因此，缓冲区的理解和设置需要用户在不断实践中去摸索㊂
第二：如果定制实验界面中需要多组视图，如在本实验中就有 磁倾角 和 原始数据 两组视图，那么在实验编辑过程中最好做到一组视图一分析㊂也就是每组视图的元素添加完成后，先在Ａｎａｌｙｓｉｓ标签页定义各元素数据之间关系，然
后再回到Ｖｉｅｗｓ页面添加第二组视图，添加完本组视图所有元素后，再到Ａｎａｌｙｓｉｓ标签页面分析各元素数据之间关系（图７）㊂否则，在Ｖｉｅｗｓ标签页面添加的所有视图元素会同时出现在Ａｎａｌ⁃ｙｓｉｓ页面，大量元素混乱无序叠加在一起，既增加工作量又容易出错㊂
第三：如果需要在同一图像中进行多组数据比较，如本实验中若想把地磁场的Ｂｘ㊁Ｂｙ㊁Ｂｚ分量在同一图像中显示，即图像的ｘ轴为时间，ｙ
轴同时显示地磁场的三个分量，只需在Ａｎａｌｙｓｉｓ标签页将ｇｒａｐｈ模块中ｚ的输入源设置为空，后面就会自动添加一组新的ｘ㊁ｙ㊁ｚ数据接口，以此类推，添加到需要的组数后再把ｚ的输入源恢复为自动，然后将ｇｒａｐｈ的三个ｘ都连接同一数据源ｔ，三个ｙ分别连接磁力计传感器的三个输出即可实现多组数据同一图像表示（图１０）㊂
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