5.4 利用智能手机中的磁传感器研究磁现象 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理粤教版选择性必修第二册

课程名称

利用智能手机中的磁传感器研究磁现象

选用教材

高中物理粤教版选修二

教学章节

第五章第四节

授课对象

高二学生

授课类型

新授课

授课学时

1课时（45分钟）

一、教学内容分析

本节为第五章拓展选做实验课，整合磁场基础、磁感应强度矢量、传感器信号转化全部前置知识，以智能手机内置三轴磁传感器为新型数字化实验工具，遵循 “认识手机磁传感硬件→软件采集磁场数据→三组分层递进探究实验→自主拓展创新实验” 逻辑编排教材。教材先拆解手机内部磁传感器硬件结构，说明器件可同步采集 x、y、z 三轴磁感应强度，测量量程覆盖日常地磁场、条形磁铁磁场，配套磁力工具箱 APP 实现磁场数值实时绘图；设置三层递进探究任务：第一组固定磁铁探究磁场是否随时间变化，利用图像证明静磁场空间点位磁感应强度恒定；第二组对比手机垂直、平行磁铁两种运动路径，采集图像总结磁场强弱空间分布规律；第三组采用两块异名平行条形磁铁，探究磁极叠加区域磁场叠加特征；配套标准化实验结论记录表，规范图像描述、规律总结书写格式，最后留白开放探究板块，引导学生自主设计全新磁学探究课题。全程依托矢量合成公式                 完成合磁感应强度定量推导，将传统条形磁铁定性磁场实验升级为数字化定量采集实验，打通传感器信号转换、磁场矢量运算、现代移动终端物理实验三者联系，拓宽学生物理实验器材认知，实现传统磁现象探究数字化革新。

二、学情分析

1. 知识储备

学生此前完整学习磁场、磁感应强度矢量概念，熟记空间三轴矢量合成分解关系式，能够通过三个正交分量计算总磁感应强度；掌握条形磁铁磁场基础分布规律，明白磁极附近磁场更强；前四节系统学习传感器定义、信号转换逻辑，清楚磁传感器可以将磁场磁学非电学量转化为电压电学量；日常频繁使用智能手机，了解手机具备各类内置传感芯片，但从未将手机作为定量物理实验器材，不熟悉三轴磁传感器采集三轴磁场分量的工作方式，无法自主结合矢量合成公式分析 APP 输出的三条磁场曲线，缺少数字化实验图像读取、定量分析磁场规律的综合能力。

2. 能力现状

学生具备基础条形磁铁定性观察实验能力，能手动判断磁极磁场强弱；可以代入矢量合成公式完成简单三轴分量合磁感应强度计算；拥有基础手机软件操作能力，但数字化实验探究能力薄弱，不会解读 APP 实时采集的动态磁场图像，无法区分 x、y、z 三轴曲线各自对应的空间方向；小组实验仅能完成简单器材摆放、软件点击记录操作，难以自主设计对比实验方案，不能通过图像数值变化定量推导磁场空间分布规律；自主创新设计磁学探究实验的建模能力不足，局限于教材给定三组实验，无法迁移三轴磁传感工具拓展地磁场、通电导线磁场等全新探究课题。

3. 思维认知痛点

学生存在多处典型思维误区：一是认为磁场仅能依靠小磁针定性观察，不理解手机磁传感器可实现高精度定量测量，割裂智能手机硬件与物理实验的关联；二是混淆三轴磁场分量含义，看不懂 APP 三条实时曲线分别对应手机三个正交方向的磁感应强度，无法结合矢量合成公式推导总磁场大小变化；三是默认磁铁磁场仅和空间位置有关，忽略可以借助图像直观证明静止磁铁固定点位磁场不随时间改变，缺少图像证据论证的数理思维；四是垂直、平行磁铁两种运动场景下，不能自主对比两条图像曲线差异，总结两种路径磁场强弱变化的不同规律；五是无法理解两块平行异名磁铁中间磁场叠加效应，难以从多分量图像中读出磁场抵消、增强的矢量叠加特征；六是缺少开放探究的发散思维，不能自主利用手机磁传感器设计地磁场测量、电流磁场探究等拓展实验。

三、教学目标

1. 物理观念

建立 “磁传感器采集三轴磁场分量→矢量合成计算总磁感应强度→图像定量呈现磁场时空分布” 数字化磁场统一物理观念；牢记矢量合成核心公式，能依靠三轴分量计算空间某点总磁场；掌握手机三轴磁传感器硬件功能、APP 采集数据绘图的完整流程；通过三组对比实验完整理解条形磁铁磁场时空分布、单磁铁两种运动路径磁场变化、双异名磁铁磁场叠加三大磁现象，区分静磁场时间不变、空间位置改变磁场强弱改变的核心特征，建立移动智能终端赋能定量磁学实验的现代物理实验认知。

2. 科学思维

联立三轴矢量合成公式，定量解读 APP 实时磁场图像，锻炼数字化图像定量推演磁场规律的数理推导思维；分层拆解三组递进探究实验，对比单磁铁时间变量、单磁铁运动方向、双磁铁磁极叠加三类变量控制实验，建立控制变量对比归纳思维；结合手机磁传感器信号转换逻辑，串联前序传感器章节知识，搭建传感采集 — 矢量运算 — 图像呈现完整逻辑链条；依托教材空白探究板块自主设计全新磁学实验，培养知识迁移创新建模思维；依靠图像曲线数值变化作为证据论证磁场分布规律，养成以定量图像为依据的证据推理思维。

3. 科学探究

观察手机内置磁传感器硬件实物图，小组合作安装磁力工具箱 APP，熟悉 Record 记录、Pause 暂停数据采集操作；完成第一组固定磁铁实验，采集磁场随时间变化图像，论证静磁场不随时间改变；分组完成垂直、平行磁铁两组对比运动实验，读取三轴分量图像，填写标准化实验记录表；搭建两块平行异名条形磁铁实验装置，探究磁极叠加区域磁场叠加规律；自主构思全新磁学探究课题，绘制实验方案草图、预设图像变化、推导预期实验结论，完整走完 “数字化工具认识→软件操作训练→三组控制变量定量实验→图像数据分析归纳规律→自主拓展创新实验” 完整数字化探究流程，提升磁现象数字化定量实验探究与矢量运算分析能力。

4. 科学态度与责任

运用矢量合成公式计算合磁感应强度、解读 APP 磁场动态图像、填写实验记录表过程中规范书写公式、如实记录图像曲线变化特征，养成严谨规范、依托数字化定量图像证据论证物理规律的科学演算与实验记录素养；小组合作摆放磁铁、操作手机采集磁场数据、协同分析图像规律时分工配合，锻炼沟通互助、协同完成数字化定量探究实验的团队意识；认识智能手机内置三轴磁传感器、移动物理实验软件是现代数字化物理实验的新型低成本工具，传感器、磁场矢量等基础电磁物理理论支撑手机智能硬件与中学创新物理实验发展；了解我国国产智能手机传感芯片、教育数字化实验软件产业发展成果，引导学生扎实掌握磁场矢量运算、数字化传感实验操作与图像分析的物理综合能力，树立运用电磁传感、磁场相关物理知识开发低成本数字化中学实验器材、助力中小学物理实验数字化革新的家国责任，养成主动利用身边智能设备开展课外物理探究的科学习惯。

四、教学重难点

重点

1. 三轴磁感应强度矢量合成公式的定量计算与图像解读；
2. 手机磁传感器硬件功能、磁力工具箱 APP 采集磁场数据的完整操作流程；
3. 三组递进探究实验操作、图像读取与磁场分布规律归纳；
4. 控制变量法设计对比实验，依靠动态磁场图像定量论证磁现象规律。

难点

1. 结合矢量合成公式解读 x、y、z 三轴实时磁场曲线，分析总磁感应强度变化；
2. 区分垂直、平行磁铁两种运动路径下磁场图像差异，归纳不同空间分布规律；
3. 分析两块平行异名磁铁中间磁场矢量叠加、抵消的图像特征；
4. 自主迁移手机磁传感工具，创新设计全新磁学定量探究实验。

五、教学方法

  智能硬件情境导入法：依托智能手机内置磁传感芯片引入数字化定量磁实验；

  矢量公式定量推演法：利用三轴磁场矢量合成公式完成总磁场定量计算；

  图像分层分析法：拆解 APP 三轴动态磁场图像，读取分量与总磁场变化；

  控制变量探究法：三组实验分别控制时间、运动方向、磁铁排布单一变量；

  分组数字化实验法：小组操作手机 APP 采集磁场图像，对照表格归纳实验结论；

  开放创新拓展法：引导学生自主设计全新磁传感探究实验，绘制方案草图。

六、教学资源

手机内部磁传感器硬件图、单磁铁固定时间探究实验装置图、单磁铁平行垂直运动实验记录表图像、双平行异名磁铁探究装置与磁场图像；配套素材：三轴矢量合成公式演算学案、磁力工具箱 APP 操作步骤清单、标准化实验结论空白记录表、磁场图像分析练习题、开放创新探究实验设计空白模板。

七、教学设计

教学环节

教师活动

学生活动

环节一 智能设备情境导入，矢量公式回顾（6 分钟）

  生活化智能设备提问：我们日常随身携带的智能手机内部藏有磁传感器，不需要小磁针，就能精准测量空间任意位置磁场大小与方向，今天我们抛弃传统定性小磁针实验，利用手机开展数字化定量磁场探究实验。

  出示手机中的磁传感器硬件图

  观看手机内部磁传感器硬件图，直观认识手机内置传感芯片实物，完整记录三轴磁传感器测量范围、可采集三个正交方向磁场分量两大核心功能，理解智能手机可以作为高精度定量磁学实验器材，打破只有实验室专业器材才能测量磁场的固有认知。

  在草稿纸上完整书写三轴磁场矢量合成公式，跟随教师利用正交矢量勾股定理完成推导，记住 APP 蓝色曲线代表总合磁感应强度，其余