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

该高中物理教学设计聚焦利用智能手机磁传感器研究磁现象，通过智能设备情境导入，回顾三轴磁感应强度矢量合成公式，衔接磁场基础与传感器知识，搭建“硬件认知-软件操作-实验探究”的学习支架。 以三组递进控制变量实验为核心，结合数字化图像定量分析磁场时空分布与叠加规律，培养科学探究能力和科学思维，助力学生建立数字化磁场物理观念，提升教师传统实验数字化教学效率。

教学设计 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 讲解器件核心参数：可同步采集空间 x、y、z 三个正交坐标轴的磁感应强度，测量量程覆盖负 810 至 810 微特斯拉，适配条形磁铁、地磁场日常磁现象测量；配套磁力工具箱 APP 能够实时采集三轴磁场数值，自动生成动态变化曲线图像，实现磁场变化全过程可视化记录。  旧知回顾矢量合成完整推导：空间中任意一点磁场可以分解为三个相互垂直方向的分量，总磁感应强度满足矢量合成关系式 ，对公式进行逻辑推导：三个分量相互垂直，满足勾股矢量叠加规律，任意一个分量数值变大，总合磁感应强度同步增大，APP 图像中蓝色曲线即为总磁场大小变化曲线，其余三色曲线对应 x、y、z 单轴分量。  出示基础定量计算题，题目具体如下：某一时刻手机采集三轴磁场分量数值分别为 40、30、0 微特斯拉，结合矢量合成公式计算该位置总磁感应强度；若手机靠近磁铁，y 轴分量增大至 80 微特斯拉，其余分量不变，分析总磁场数值变化趋势。带领学生分步代入公式完成定量演算，巩固三轴分量与总磁场的关联逻辑。  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，其余曲线分别对应三个单轴分量，能依靠分量数值判断总磁场强弱变化。  独立完成基础定量计算题，完整代入矢量合成公式分步计算两组总磁场数值，准确得出靠近磁铁后单轴分量增大、总磁感应强度同步增强的结论，规范书写完整演算步骤。  同桌互相交流手机里各类内置传感器，回忆前几节学习的光敏、温度传感元件，对比磁传感器采集磁学信号、其余传感器采集光、热信号的共性转化逻辑，串联全章传感器知识。 环节二 第一、二组控制变量探究实验，图像分析（14 分钟）  过渡衔接，布置第一组探究任务：第一个待解决问题，静止不动的条形磁铁周围固定点位，磁场强弱是否会随时间改变？采用控制变量法，固定手机与磁铁的空间位置，仅改变时间变量，采集磁场图像完成论证。  出示探究条形磁铁磁场随时间变化的实验方案图 讲解标准化操作流程：将手机水平放置在条形磁铁 N 极前方固定不动，打开磁力工具箱 APP，点击 Record 按钮启动数据采集，持续采集 40 秒左右，按下 Pause 暂停采集，读取三轴磁场动态图像。展示标准采集图像，图像内所有曲线全程保持水平平稳无波动，结合矢量合成公式推导：分量数值不随时间变化，总合磁感应强度恒定，由此得出结论：静止磁铁同一空间点位，磁场强弱不随时间发生改变。  布置第二组对比探究任务：控制磁铁不变，改变手机运动路径，分别沿垂直磁铁、平行磁铁两个方向直线移动手机，对比两种运动路径总磁场图像变化规律。出示标准化实验结论记录表，明确两组操作方案、图像描述、结论书写规范：垂直磁铁移动时，总磁感应强度先增加后减小；平行磁铁沿磁极方向移动时，总磁感应强度先增加、后减小、再增大。带领学生结合矢量合成公式分析图像变化根源：垂直路径移动时手机先靠近磁极、再远离磁极；平行路径移动时手机先后经过两个磁极，两次出现磁场峰值。  出示对比图像分析练习题，题目具体如下：手机沿平行条形磁铁磁极方向匀速移动，结合三轴矢量合成公式说明总磁感应强度图像会出现两次峰值的原因，完整书写推导逻辑。带领学生分步梳理手机先后靠近两个磁极、单轴分量两次增大、总磁场两次变强的完整逻辑。  观看探究条形磁铁磁场随时间变化的实验方案图，小组领取条形磁铁、智能手机，严格按照图示摆放器材，打开磁力工具箱 APP 完成时长 40 秒的数据采集，观察屏幕三轴曲线全程平稳不变，在草稿纸上代入矢量合成公式论证总磁场恒定，完整记录静磁场不随时间变化的实验结论。  分组开展两组对比运动实验，一组组员控制手机沿垂直磁铁方向匀速直线移动，另一组组员沿平行磁极方向匀速移动，分别保存两组动态磁场图像，对照记录表规范描述蓝色总磁场曲线变化特征；小组内结合矢量合成公式，解释两种路径图像差异的空间磁极分布原因，完整填写记录表内探究结论板块。  独立完成对比图像分析练习题，分步说明平行移动时手机先后靠近 N、S 两极，对应单轴磁场分量两次升高，依靠矢量合成公式得出总磁感应强度两次出现峰值，规范书写完整推导过程。  小组开展讨论交流，对比传统小磁针定性实验、手机磁传感器定量图像实验的优缺点，总结数字化传感实验可以连续记录全过程磁场变化、定量读取数值的优势。 环节三 双磁铁叠加探究实验与开放创新设计（13 分钟）  过渡布置第三组探究任务：单块磁铁磁场规律我们已经完成探究，接下来研究两块平行摆放异名条形磁铁中间区域的磁场矢量叠加效应，观察磁场图像出现的全新变化特征。  出示探究两平行排列的异名条形磁铁中间磁场强弱分布的实验方案图 讲解器材摆放规范：两块条形磁铁上下平行放置，上方磁铁 S 极朝左、N 极朝右，下方磁铁 N 极朝左、S 极朝右，手机从左侧匀速水平向两块磁铁中间区域移动，全程开启 APP 记录三轴磁场图像。展示配套采集图像，图像中总磁场曲线出现一处波峰、一处波谷，结合矢量合成公式推导：靠近磁极区域两个磁铁磁场同向叠加，总磁感应强度增大；两块磁铁正中间位置，两块磁铁磁场反向抵消，总磁感应强度明显降低，图像出现低谷，直观体现磁场矢量叠加、抵消的规律。  开放创新探究拓展讲解：完成三组教材基础实验后，依托手机三轴磁传感器可以自主设计全新磁学探究课题，例如测量地磁场三个正交分量、探究通电直导线周围磁场强弱分布、探究电磁铁磁场随电流变化规律等。示范创新课题书写规范，需要完整写明探究问题、绘制简易实验方案草图、预设三轴磁场图像变化、结合矢量公式推导预期实验结论。  出示开放创新设计分析题，题目具体如下：设计利用手机磁传感器测量地磁场三轴分量的实验，简述实验器材摆放、APP 操作流程，结合矢量合成公式说明如何计算地磁场总磁感应强度。带领学生梳理完整创新实验设计框架。  观看探究两平行排列的异名条形磁铁中间磁场强弱分布的实验方案图，小组领取两块异名条形磁铁、智能手机，严格按照图示平行反向摆放磁铁，手持手机匀速从左向右水平移动，全程记录动态磁场图像；观察图像波峰、波谷特征，结合矢量合成公式分析磁极叠加增强、中间区域磁场反向抵消的矢量规律，记录双磁铁磁场叠加实验结论。  参照教材空白探究板块，小组合作构思全新磁传感探究课题，自主选定探究问题，手绘简易实验方案草图，结合三轴矢量合成公式预设三轴磁场图像变化趋势，完整推导预期实验结论，准备小组间交流分享创新实验设计思路。  独立完成开放创新设计分析题，完整梳理地磁场测量实验器材摆放、APP 采集操作步骤，分步利用矢量合成公式说明通过三轴分量计算地磁场总磁感应强度的演算逻辑，形成完整创新实验方案。  小组轮流分享自主设计的创新探究课题，互相点评实验方案可行性，补充图像变化、矢量推导相关内容，拓宽磁传感器应用探究思路。 环节四 课堂小结与分层作业（7 分钟）  系统梳理本节课完整知识脉络：本节课先回顾三轴磁场矢量合成核心公式: 认识智能手机内置三轴磁传感器硬件与磁力工具箱 APP 数字化采集流程；分三组控制变量完成递进探究实验，分别论证静磁场时间不变规律、单磁铁两种运动路径空间分布规律、双平行异名磁铁磁场矢量叠加抵消规律；依托教材空白板块自主创新设计全新磁学定量探究实验，建立 “智能传感硬件 — 矢量定量运算 — 动态图像证据” 数字化磁场实验通用模型。  分层布置课后作业 基础作业：完整默写三轴磁感应强度矢量合成公式，代入分量数值完成两组总磁场定量计算；完整填写三组基础实验标准化结论记录表，分别描述三组实验总磁场图像变化特征。 提升作业：自主绘制双平行异名磁铁实验装置简图，结合矢量合成公式完整推导图像出现波峰、波谷的磁场叠加逻辑，书写完整推导过程。 拓展实践：自主设计一款全新手机磁传感器探究实验，完整写明探究问题、绘制方案草图、预设磁场图像、推导预期实验结论，整理完整实验设计报告。  指导学生整理矢量演算学案、实验记录表、手机磁场图像截图、创新实验草稿，有序收纳全部纸质学习材料，养成数字化实验数据记录、整理归档的良好实验习惯。  跟随教师梳理完整课堂知识框架，标记三轴矢量合成公式、三组控制变量实验图像分析、磁场矢量叠加规律、创新实验设计四大重难点，查漏补缺，完善自身笔记，形成数字化磁传感定量实验完整模型认知。  主动参与课堂整体回顾，完整复述磁传感器三轴采集功能、矢量合成公式推导逻辑、三组基础实验核心结论，同桌互相抽查分量与总磁场定量计算、图像变化描述核心知识点。  逐条记录分层课后作业要求，结合自身矢量演算、图像分析薄弱点规划作业完成顺序，基础作业巩固公式定量计算、实验图像规范描述；提升作业强化双磁铁磁场叠加矢量推导能力；拓展实践自主创新设计磁学探究实验，充分挖掘手机磁传感器课外探究价值。  整理课堂实验记录表、矢量演算草稿、创新方案草图，针对三轴图像解读、磁场矢量叠加逻辑存在疑问的内容，课后主动向教师、小组同学交流请教，完善数字化磁场实验定量分析逻辑。 八、板书设计 c 九、课程思政 本节课依托三轴磁感应强度矢量合成公式定量演算、手机磁传感硬件图示讲解、三组控制变量数字化分组实验、动态磁场图像定量分析、自主创新探究实验完整教学流程，学生在矢量公式演算、磁场图像读取、实验结论记录表填写过程中规范书写物理公式、如实记录 APP 动态图像曲线变化特征，养成严谨求实、依靠数字化定量图像作为证据论证磁场物理规律的科学演算与定量实验探究素养；小组合作摆放条形磁铁、操作手机采集磁场数据、协同分析图像矢量叠加规律、交流创新实验设计思路时分工配合，锻炼沟通互助、协同完成数字化创新物理实验的团队协作意识；通过学习智能手机内置三轴磁传感器、移动物理实验软件完成低成本定量磁学探究实验，认识磁场矢量、传感器信号转换等基础电磁物理理论是智能手机智能硬件、中学数字化创新实验器材的底层核心技术；了解我国国产手机传感芯片、中小学数字化物理实验软件自主研发产业成果，引导学生扎实掌握磁场矢量定量运算、智能传感实验操作、动态图像数据分析的物理综合能力，树立运用电磁传感、磁场矢量相关物理知识开发低成本数字化中学物理实验工具、推动国内中小学物理实验数字化革新升级的家国责任，同时建立善于利用身边智能电子设备开展课外自主物理探究、主动挖掘生活器材物理价值的科学探究观念。 十、教学反思和修改 教学反思 本节课严格按照教材逻辑完成三轴矢量合成公式推导、四张教材配图识图教学、三组控制变量数字化实验操作、磁场动态图像定量分析、开放创新实验设计完整教学流程，依托四张教材配图开展手机磁传感硬件、单磁铁时间实验、单磁铁运动记录表、双磁铁叠加装置识图教学，大部分学生能够熟记三轴矢量合成公式，读懂 APP 总磁场蓝色曲线变化，区分单磁铁两种运动路径的图像差异，但课堂存在明显短板：一是三轴矢量合成公式结合图像解读环节，基础薄弱学生无法对应 x、y、z 单轴曲线与空间方向，不能自主通过分量数值变化推导总磁场强弱变化，定量演算与图像联动分析能力不足；二是双平行异名磁铁磁场矢量叠加讲解时，部分学生难以理解中间区域磁场反向抵消的矢量逻辑，无法解释图像低谷的形成根源；三是分组数字化实验操作时长有限，部分小组仅采集一次图像，没有多次重复移动手机对比曲线，对磁场空间分布变化的直观感知不足；四是学生自主创新设计探究实验的发散思维薄弱，大多仅复刻教材磁铁相关实验，难以拓展地磁场、电流磁场等全新探究方向，创新实验方案书写逻辑不完整。 修改措施 课前发放预习学案，提前复习矢量正交合成规律，预留三轴分量总磁场计算填空练习，压缩课堂基础公式推导讲解时长；增加三轴分量与手机空间方位对应示意图，分层标注 x、y、z 三轴对应手机摆放方向，分层提问引导学生区分三条单轴曲线代表的物理含义，增设图像分量匹配小练习；延长分组数字化实验操作时长，要求每组至少三次重复移动手机采集图像，对比多组曲线变化，强化磁场空间分布与图像联动的直观感知；增加两道课堂随堂创新实验设计推导题，专门训练手机磁传感器拓展探究课题的完整方案书写，针对学困生单独梳理三轴矢量合成完整演算步骤；课后布置三轴磁场矢量合成计算默写、三组实验图像描述专项习题，强化定量演算、数字化图像分析能力，增设国产手机传感芯片、数字化实验软件拓展小题，巩固磁传感硬件在创新物理实验中的应用认知，增加开放创新实验完整设计简答题，强化学生自主构思全新磁学探究课题的发散创新思维。 学科网（北京）股份有限公司 $