淺談傳感器在物理實驗教學中的優勢

摘 要：隨著新課程教材改革的推進，信息技術與物理教學整合也得到大力的開展。有一種科技含量高，實時采集數據，誤差小，實驗耗時短的傳感器進入物理課堂。這種傳感器相對于傳統實驗儀器存在很大的優勢：運用傳感器技術可使抽象的物理過程和概念具體化；可以提高數據采集的正確性、數據處理的便捷性；運用傳感器可以使傳統實驗器材無法演示的實驗成為可能。本文對應用較多的運動傳感器和力傳感器做一些探討和介紹。

關鍵詞：中學物理實驗；傳感器；實驗設備；信息技術

一、 正確認識傳感器

目前有些人把一些智能化的教學儀器包含的一些探頭稱為“傳感器”，其實這些所謂的“傳感器” 還不能單獨使用，必需與接口電路和計算機組合成系統，才能做實驗。所以我們新教材介紹的傳感器，可以這樣定義：能夠感受諸如力、溫度、光、聲、磁場、化學成分等非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換成電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。因此現代意義上的傳感器是包括傳感器、數據采集器及計算機，以一系列傳感器替代了傳統的測量儀器，能夠完成力、熱、聲、光、電、位移、磁感強度、輻射、等多種物理量數據的采集。傳感器數據通過四通道采集器處理后上傳到計算機，由DataStudio軟件進行實時的處理與分析。

二、傳感器在物理教學中的優勢地位

1.運用傳感器技術可使抽象的物理過程和概念具體化。

比如超重、失重這節課，學生在生活中能經常看到，所有對于超重和失重現象的定義很容易接受。可以通過舉生活中的例子：電梯升降，宇航員在太空中產生的失重現象，讓學生加深理解。然而對于超重、失重產生的原因，由于過程比較抽象，學生很難理解，也是一個教學難點。要突破該難點，自然是設法設計實驗，使抽象的物理過程具體化。而超重、失重現象發生在物體變速運動的過程中，傳統實驗裝備只能用彈簧秤測量壓力的變化，而且在課堂中演示實驗所經歷的時間又很短暫，學生根本就看不清楚彈簧測力計的讀數，更談不上對數據的記錄，不能給學生提供有分析價值的數據，這樣的實驗也起不到把抽象概念具體化的作用。如果這個實驗用力傳感器代替彈簧秤，設計如下方案：（1）用力傳感器吊起鉤碼加速下降。（2）用力傳感器吊起鉤碼加速上升。（3）用力傳感器吊起鉤碼減速下降。（4）用力傳感器吊起鉤碼減速上升。同時通過DataStudio軟件可清晰獲得“力-時間”圖線（如圖1所示），從圖1中可以清晰地觀察到超重、失重現象。

還比如簡諧運動這節課，簡諧運動的運動過程也是一個較為抽象的概念，想要把該概念具體化，唯有通過實驗，而傳統的實驗器材無法讓學生看到回復力、加速度、速度和位移四個物理量在運動過程中的大小和方向。若利用力傳感器和位移傳感器，設計如下實驗方案：先把運動傳感器水平放在桌上，再利用鐵架臺掛上力傳感器，并且在傳感器的下面掛著彈簧和彈簧下的重球，而且要保證運動傳感器可測到在豎直方向做簡諧運動的重球。再通過DataStudio軟件分析和處理，可讓學生看到位移、速度、加速度和回復力四個物理量在運動過程中隨時間變化的圖像（如圖2所示）。這樣學生可把實驗和實時圖像對應起來，有利于學生建立起簡諧運動完整的物理圖景，取得其它教學手段難以收到的效果。

2、運用傳感器可提高數據采集的正確性、數據處理的便捷性。

在自由落體這節課測量重力加速度這個環節，以前一般都是使用打點計時器來測量，在這個實驗中，首先使紙帶與重物相連，再讓重物自由下落，從而利用打點計時器在紙帶上留下的點間接的測出重物自由下落的重力加速度。這樣的實驗方法不僅很費時，而且誤差也很大，因為重物下落過程中受到的摩擦力較大。如果使用運動傳感器代替打點計時器，測量重球做自由落體運動時的重力加速度，得到位置、速度、加速度隨時間變化的圖像（如圖3所示）。這樣的實驗方法不但簡單，而且誤差也比較少，提高數據采集的正確性、數據處理的便捷性。

3、運用傳感器可以使傳統實驗器材無法演示的實驗成為可能。

對于機械能守恒定律這部分內容，大部分老師都是直接通過理論推導出來的，都沒有用什么實驗來證明。倘若能夠運用運動傳感器測量籃球從某一高度下落后，不斷的反彈下落直至停止的過程，運動傳感器不但能測出籃球各個單次下落或上升過程機械能之間的轉換以及機械能守恒，而且也能把整個運動過程中機械能不守恒直觀地體現出來。通過DataStudio軟件分析和處理，可得到重力勢能、動能、機械能隨時間的變化圖像（如圖4所示）。

傳感器對傳統的物理實驗教學觀點產生了強大的沖擊。從總體上講，傳感器在實驗教學的設計思想、學生的操作過程和實驗中間環節發生很大變化。傳統的實驗教學的重心是解釋各個實驗器材的功能和組裝，而且關心實驗器材是如何實現測量。而傳感器不再注重傳感器如何測量，如何將數據輸入計算機，其內部構造如何。我們注重的是根據實驗要求選擇適合的實驗模塊，以及如何正確的設計實驗等。如測量類型、測量范圍、測量精度是否合乎要求，軟件支持的情況等。雖然傳感器在實驗教學的應用使一些層面相對簡化，但在另一些層面則需要更加深入。如在數據處理上，有明確的處理形式的機械性工作，可以交給計算機來自動完成，使處理數據層面上工作簡單化。而對于實驗原理和功能的研究則需要更深入。 這樣的情況極大地擴展了教學實驗的內容，涉及以前教學實驗無法涉及的領域，提升了物理教學的廣度和深度，給予學生更大的學習空間，激發他們的想象力、創造力。

傳感器的應用確實給我們教學帶來了很大的便利，但在教學過程中也存在一些弊端：比如使用傳感器時學生無法看到實驗本身的原理，不利于對實驗的透徹理解。還比如傳感器所采集的數據是被計算機進行一些加工處理后才顯示出來的，缺乏了實驗的真實性，難使學生信服。同時學生使用傳感器前，都必須進行傳感器使用方法的培訓，且要有一定的信息技術基礎。這些缺點有待我們進一步的改善。

參考文獻：

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