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Phyphox – スマートフォンを使った物理実験

28日前原文(phyphox.org)

概要

  • phyphox はスマートフォンのセンサーを活用した実験アプリ
  • データのエクスポートやリモート操作が可能
  • 独自実験のカスタマイズも対応
  • 国内外で複数の教育賞を受賞
  • RWTH Aachen University が開発・支援

phyphoxの主な機能

  • スマートフォン内蔵の 各種センサー （加速度計・マイク等）を利用した実験実施
    • 振り子の周波数測定、ドップラー効果の観測など
  • データエクスポート 機能による多様なファイル形式での保存・共有
    • 任意アプリを通じてデータ共有や保存が可能
  • リモートコントロール 機能によるウェブブラウザからの実験操作
    • ノートPC等から操作し、データを直接デスクトップへダウンロード
  • カスタム実験 作成機能
    • WebエディターやWikiを活用し、独自のスマートフォン実験を設計

受賞歴

  • Ars legendi-faculty award (2020)
    • Stifterverband、German Physical Society (DPG)等による選定
    • 教育現場への長期的貢献が評価
  • Teaching award (2019) by AG Physikalische Praktika (AGPP)
    • 物理実験教育分野での初受賞
  • Archimedes award (2019) by MNU
    • Westermannグループ後援、MNU選定
  • Teaching award for “best supporting teaching” (2018) by RWTH Aachen University
    • 学生からの評価により受賞

支援体制

  • RWTH Aachen University の「Exploratory Teaching Space (ETS)」による開発資金提供
    • 2016/2017年度アプリ開発、2017/2018年度Bluetoothインターフェース、2018/2019年度分散実験
  • Hans Hermann Voss Foundation による直接支援（2019年より）
    • 教員研修・ユーザーサポートの強化
  • Federal Ministry of Education and Research (BMBF) によるプロジェクト「LeBiAC2」支援
    • 教員養成課程でのBluetoothデータ収集の活用
  • Stifterband NRW によるデジタル教育イノベーションの資金提供
    • モジュール型ワークシート開発
  • Stifterverband 主導の「Wirkung hoch 100」イニシアティブ
    • 優れた教育・科学・イノベーションアイデアとして選出

開発元とネットワーク

  • phyphox はRWTH Aachen University 第2物理学研究所で開発
  • アンバサダープログラム による世界各地のローカルサポートネットワーク
    • 経験共有・サポート体制の拡充

Hackerたちの意見

こちらも https://f-droid.org/en/packages/de.rwth_aachen.phyphox/ で見てみてね。

プロフェッショナルに phyphox を使うなら、引用できる論文があるよ。[1] ドイツでは、phyphox は物理教育でかなり人気があるんだ。ただ、Android では加速度センサーのサンプリングレートが 50/s に制限されてる。公式のアプリストアからインストールした場合はね。[1] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6552/aac05e

└

ただ、Android では加速度センサーのサンプリングレートが 50/s に制限されてる。公式のアプリストアからインストールした場合はね。私の理解では、iOS でも同じだと思う（少なくとも私の iPhone SE 2020 では）。具体的には、出力は 50Hz までしか測れないんだ（でもセンサーのサンプリングレートは実際には 100Hz - ナイキストの法則で、測定周波数の2倍のサンプリング周波数が必要なんだよね、まあそんな感じ）。

└

え？俺は2019年のSamsungで500Hz出てるし、普通に使ってるよ。新しいスマホ買う前にはセンサーの周波数をチェックするのが必須なんだけど、最新のAndroidバージョンで新しいAPI制限があってもそれが潰されることはないよね？ 編集: いや、そんなことはないはず。だって、電話のセンサーデータベースはPhyphoxからの投稿で作られてるから、そこに出てくるはずだし。 https://phyphox.org/sensordb/ 何か問題があるのかな？（もしかして50Hzの加速度センサーしかない珍しい電話かも）でもAndroid/Phyphoxは50Hz以上のことができるよ。

└

f-droidのバージョンにはその制限がないの？

子供の学校の科学プロジェクトが四半期ごとにあるんだけど、これが私たちの定番アプリなんだ。エレベーターの加速度を測ったり、小さな真空チャンバー内の音源の音の減衰を測ったり、ドップラー効果も試したよ。このアプリはデータポイントを簡単にキャッチしてエクスポートしてグラフを作れるから、遊び感覚でもおすすめだよ。

ついこの間使ったばかりなんだ。親が音響ボウルを持ってて、共鳴周波数を知りたかったんだ。オーディオスペクトラムを取って、最初のピークをズームインして周波数を読み取ったら（確か208Hzくらいだった）。

それで一番クールだったのは、友達の壁の中の配線を見つけたことかな。穴を開ける必要があって、配線が上に行ってるのか（問題）右に行ってるのかが不明だったんだ。ケーブルファインダーは手元になかったけど、コンセントに大きな負荷をかけることを思いついて（やかんを使ったけど、ドライヤーでもいいよ、ただし結構なワット数が必要）、フーリエ変換の磁気スペクトラムを使って壁の中の 50Hz のグリッド周波数を見つけたんだ。うまくいったよ。残念ながら、ほとんどのスマホの磁気計は 100/s のサンプリングレートみたいだから、アメリカ人や 60Hz のグリッド周波数の人には適用できないけどね。50Hz はすでにナイキスト–シャノン限界に達してたから。

└

これはアメリカ人や 60Hz のグリッド周波数の人には適用できないけど、50Hz はすでにナイキスト–シャノン限界に達してた。トリックはうまくいくはずだけど、60Hz の信号を 40Hz の信号と混同するかもしれないね。[1] [2] これも高い周波数にはうまくいくはずだけど、周波数が高すぎると問題があって、磁気計は短い時間の平均を取るから（ウィンドウを使う）、実際の瞬時測定にはならないんだ。[1] 空中で指を動かして計算した。60=50+10 -> 50-10=40。40Hz だと思うけど、確かめるには鉛筆と紙が必要だな。[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aliasing

└

サンプリングレートが100Hzなら、通常は40Hzくらいでアナログのローパスフィルタリングをかけるよ。Nyquistよりもずっと低いし。でも、ラインに十分な負荷がかかると、どんなフィルターもストップバンドで完璧な減衰はないから…

Phyphox を使って、手がスマホに近づいたり遠ざかったりするのを可視化するのがめっちゃ楽しかったよ。アプリには面白い小さな機能がたくさんあって、特にクリエイティブな使い方をするとすごく面白い。

Arduino Science Journalのもっと進化したバージョンって感じだね。 https://www.arduino.cc/education/science-journal/

スマホのカメラをデータロガーとして使うのはすごく面白いと思うよ。特に、データを簡単に接続・エクスポートできない古い機器にとってはね。（7セグメントディスプレイの動画から時間経過データを抽出できるソフトウェアをずっと作りたいと思ってるんだけど、バランスやデジタル温度計みたいなやつ）

└

7セグメントディスプレイの画像を値に変換するソフトウェアが面白いのはなぜ？通常はデバイスのラインを電子的にスヌープする方が簡単じゃない？それとも、セグメントディスプレイの動画がたくさんある変な歴史的アーカイブでもあるの？

偶然にも、昨日アプリをダウンロードしたんだ。10分で、キッチンの安いバネ秤と加速度センサー（gなし）を使って、g ~ 9.7 m/^2を見つけたよ。質の高いアプリだね。

すごい、めっちゃ印象的だね！長い間、Androidには使えない加速度計やオーディオスコープのアプリがたくさんあったから、自分のものを追加するのがいつも難しかったんだ。すごくクールだね！