DEVELOPMENT OF PHYSICS EXPERIMENT KITS USING THE SMARTPHONE'S SENSORS FOR STUDYING LINEAR MOTION WITH CONSTANT SPEED AND TORSIONAL PENDULUM

Abstract

This research proposed low-cost physics experiment kits to study two motions of an object including linear motion and torsional pendulum, using smartphone sensors. For linear motion, the position-time of a moving object with constant speed was measured with an ambient light sensor with a ‘Phyphox’ application. The LEDs were arranged at equal intervals on one side of 2.0 m rail. A Samsung Galaxy S4 was attached to a toy train and acted as the moving object. The ambient light sensor measured the illuminance, which fluctuated on the LEDs with respect to time, while the smartphone was traveling in a straight line. The results obtained with the smartphone sensor method was very close to the results obtained from the video analysis method. With regard to the torsion pendulum, the oscillation of the disk was measured using a device motion service, a gyroscope and an accelerometer with the ‘Sensorlog’ application simultaneously. These sensors recorded the angular position, angular speed and angular acceleration vs. time, respectively. An iPhone 4S was placed on a metal disk hanging by a wire. In addition, two metal cylinders were added to the system to find a torsion constant. These physical quantities were processed to calculate and demonstrate how the torsion constant can conserve mechanical energy. The experimental data were in good agreement with the theoretical values. The results from the two experiments indicated that smartphone sensors are suitable due to the fact that it is an easy, practical and effective tools in physics experiments. Moreover, it can be used to perform experiments in many ways during class or in daily life.

งานวิจัยนี้มีจุดประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒนาชุดการทดลองฟิสิกส์โดยใช้เซนเซอร์ของสมาร์ตโฟน สำหรับใช้ในการศึกษาและวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของวัตถุ 2 รูปแบบ ได้แก่ 1) การเคลื่อนที่ในแนวตรงด้วยอัตราเร็วคงตัว และ 2) การแกว่งของลูกตุ้มชนิดบิด โดยชุดการทดลองที่ 1 ตำแหน่งกับเวลาของรถไฟของเล่นที่เคลื่อนที่ในแนวตรงด้วยอัตราเร็วคงตัว หาได้จากการใช้เซนเซอร์ตรวจวัดแสงของสมาร์ตโฟน Samsung Galaxy S4 ที่ติดตั้งอยู่บนรถไฟของเล่นร่วมกับแอปพลิเคชัน Phyphox เป็นเครื่องมือวัดความส่องสว่างของหลอดไฟ LED เทียบกับเวลา ขณะรถไฟของเล่นเคลื่อนที่ผ่านแสงจากชุดหลอดไฟ LED ที่ติดเรียงกันเป็นช่วงเท่า ๆ กันบนข้างหนึ่งของรางรถไฟของเล่นยาว 2 เมตร จะได้ค่าความส่องสว่างที่มีค่าสูงสุดเป็นช่วง ๆ ซึ่งแทนตำแหน่งใด ๆ ที่สัมพันธ์กับเวลาของรถไฟของเล่นขณะเคลื่อนที่ ผลการศึกษา พบว่า อัตราเร็วเฉลี่ยและอัตราเร่งเฉลี่ยของรถไฟของเล่นที่คำนวณได้จากความชันของกราฟความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งและอัตราเร็วกับเวลา มีค่าใกล้เคียงกันอย่างมีนัยสำคัญกับผลการทดลองจากการใช้เทคนิคการวิเคราะห์วีดิโอด้วยโปรแกรม Tracker และทุกกรณีได้ค่าอัตราเร่งเฉลี่ยใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎี ในส่วนของชุดการทดลองที่ 2 การแกว่งของลูกตุ้มชนิดบิด ซึ่งประกอบด้วยจานโลหะกลมและแท่งโลหะ วัดโดยใช้เซนเซอร์ 2 ชนิด คือ เซนเซอร์ตรวจวัดความเร่ง เซนเซอร์ไจโรสโคป และระบบตรวจวัดตำแหน่งของสมาร์ตโฟน iPhone 4s ร่วมกับแอปพลิเคชัน Sensorlog ในการวัดความเร่งเชิงมุม ความเร็วเชิงมุม การกระจัดเชิงมุมเทียบกับเวลา ตามลำดับ พร้อม ๆ กันอย่างต่อเนื่อง อีกทั้งยังเพิ่มทรงกระบอกโลหะตัน 2 อันในระบบ เพื่อนำข้อมูลเหล่านี้ไปวิเคราะห์หาค่าคงตัวในการบิดและพลังงานต่าง ๆ ขณะเกิดการแกว่งต่อไป พบว่า ผลการทดลองมีค่าใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎีอย่างมีนัยสำคัญ จากผลการศึกษาทั้ง 2 ชุดการทดลอง แสดงให้เห็นว่า เซนเซอร์ต่าง ๆ ของสมาร์ตโฟนมีความเหมาะสมที่จะใช้เป็นอุปกรณ์การทดลองในการวัดและบันทึกค่าปริมาณทางฟิสิกส์ได้อย่างถูกต้องและแม่นยำ ใช้งานง่าย ช่วยลดต้นทุนและสามารถนำมาใช้ในการจัดการเรียนการสอน การสาธิตหน้าชั้นเรียน หรือสร้างสรรค์การทดลองฟิสิกส์ได้หลากหลายรูปแบบทั้งในห้องเรียนและนอกห้องเรียน