DIS實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

沈孝兵 楊 理

(南京市育英第二外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 江蘇 南京 210044)

眾所周知，DIS實(shí)驗(yàn)室即數(shù)字化信息系統(tǒng) (Digital Information System Laboratory)，簡(jiǎn)稱DISLab.它是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包(教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件)+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，DIS實(shí)驗(yàn)由于其精度高，效果準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高在高中的物理教學(xué)中已經(jīng)大量應(yīng)用.筆者嘗試將DIS實(shí)驗(yàn)引入初中物理課堂，發(fā)現(xiàn)初中物理的部分力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)也可以使用傳感器來(lái)做，且相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有以下一些優(yōu)點(diǎn).

1 自動(dòng)化程度高操作簡(jiǎn)單

DIS實(shí)驗(yàn)采集、分析數(shù)據(jù)的自動(dòng)化程度高，它將數(shù)據(jù)的采集、分析及繪圖工作交給計(jì)算計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的操作更簡(jiǎn)單.

在物態(tài)變化的教學(xué)中，筆者將普通的溫度計(jì)換成溫度傳感器放在電水壺中，做水的沸騰實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)用時(shí)約8 min，電腦上就自動(dòng)繪出了水的沸騰圖像,如圖1(a)所示；筆者將溫度傳感器放入質(zhì)量約3 g的水中(水裝在一個(gè)管里，以鹽水冰為低溫源)，探究了水的凝固規(guī)律，水的凝固圖像如圖1(b)所示，當(dāng)水凝固成零下13℃的冰以后將它們?nèi)〕龇旁谑覝丨h(huán)境下，又順利地得到了冰的熔化圖像如圖1(c)所示，水的凝固和冰的熔化總時(shí)間不到15 min.

由此可見，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，DIS實(shí)驗(yàn)的操作更加簡(jiǎn)單方便，將學(xué)生從讀數(shù)、記數(shù)據(jù)和繪圖等費(fèi)時(shí)的簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解放出來(lái).傳感器收集和處理好數(shù)據(jù)后，DIS 系統(tǒng)快速的數(shù)-圖的轉(zhuǎn)換能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律.

圖1

2 計(jì)數(shù)速度快易于捕捉瞬間變化的物理量

DIS實(shí)驗(yàn)儀器的計(jì)數(shù)頻率高，可達(dá)每秒20次，因此，傳感器能捕捉到常規(guī)儀器不易捕捉的瞬間變化的物理量.

在“伏安法測(cè)小電燈的電阻”的教學(xué)中，在用電壓表、電流表和滑動(dòng)變阻器做完實(shí)驗(yàn)，并引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出“燈絲的電阻與隨溫度的升高而增加”結(jié)論后，筆者將電流表?yè)Q成電流傳感器接入電路，電流傳感器捕捉到了電路接通瞬間電流的變化情況,如圖2所示，由圖2可看出，通過燈絲的電流在0.1 s的時(shí)間內(nèi)由零變到0.74 A又迅速減小為0.37 A并保持不變.從而說明燈絲的冷態(tài)電阻比正常工作時(shí)要小，很顯然，電流的這種瞬間變化用普通的電流表根本就觀察不到.

圖2

再比如，教師常用如圖3(a)所示的裝置演示分子引力，在彈簧測(cè)力計(jì)下用細(xì)線吊一玻璃板，先讓玻璃板水平浸沒在水中，再緩緩向上拉彈簧測(cè)力計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)玻璃板下表面剛要離開水面的那一瞬間測(cè)力計(jì)的示數(shù)比玻璃離開水面后的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)要大.筆者將彈簧測(cè)力計(jì)換成力學(xué)傳感器，再向上緩緩提起玻璃時(shí)，電腦記錄下拉力的變化如圖3(b)所示，傳感器不但測(cè)出了力的大小，而且將玻璃板下表面離開水面的那一瞬間力的變化規(guī)律捕捉到并保存下來(lái)，從而更形象地說明了分子間存在引力.

圖3

講大氣壓強(qiáng)時(shí)，教師常用吸盤和彈簧測(cè)力計(jì)粗測(cè)大氣壓強(qiáng)的大小，如圖4(a)所示，但是用彈簧測(cè)力計(jì)將吸盤從玻璃板上拉開的瞬間測(cè)力計(jì)的示數(shù)不易讀取，從而產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差.筆者改用力學(xué)傳感器拉一個(gè)直徑為13 mm的吸盤(吸盤和玻璃板之間加點(diǎn)水以排盡盤內(nèi)空氣)，傳感器記錄下了吸盤被拉開那一瞬間的最大拉力約為11.5 N,如圖4(b)所示，從而可以粗略算出大氣壓強(qiáng)約為0.85*105Pa.

由此可見，DIS實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瓿梢恍┏Ｒ?guī)儀器不易完成的實(shí)驗(yàn)，能彌補(bǔ)常規(guī)儀器的不足，加深和拓展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，是更高層次的信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合與應(yīng)用.

圖4

3 數(shù)-圖轉(zhuǎn)換速度快便于揭示深層物理規(guī)律和保留實(shí)驗(yàn)證據(jù)

DIS系統(tǒng)不僅能自動(dòng)采集、處理數(shù)據(jù)和快速繪圖，實(shí)驗(yàn)過后，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和圖像還可以保留，便于教師向?qū)W生揭示深層物理規(guī)律和讓學(xué)生進(jìn)行深入的探究.

在講解“力的作用是相互的”一節(jié)內(nèi)容時(shí)，筆者用兩個(gè)力學(xué)傳感器對(duì)拉，電腦上出現(xiàn)了一個(gè)軸對(duì)稱圖形，如圖5所示，由圖5不僅可以引導(dǎo)學(xué)生分析作用力與反作用力的大小相等，更重要的是可以由圖像看出作用力與反作用力是同時(shí)產(chǎn)生和同時(shí)消失的，而這一點(diǎn)是兩只普通的彈簧測(cè)力計(jì)沒法做到的.

圖5

在講到“電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)”時(shí)，教師會(huì)用微風(fēng)扇演示磁生電現(xiàn)象.如圖6(a)所示，在微風(fēng)扇的插頭處接一個(gè)發(fā)光二極管，用手旋轉(zhuǎn)葉片，二極管將一閃一閃地發(fā)光，筆者將二極管換成電壓(或電流)傳感器，用手旋轉(zhuǎn)葉片，傳感器記錄下感應(yīng)電流的大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化，如圖6(b)所示，從而讓學(xué)生“看”出轉(zhuǎn)動(dòng)微風(fēng)扇(交流電動(dòng)機(jī))所發(fā)出的電是交流電.

圖6

使用DIS實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)好處是保留意外的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，筆者有一次在探究水的凝固規(guī)律時(shí)，溫度傳感器記錄了水的溫度隨時(shí)間的變化圖像，如圖7所示，由圖7可以發(fā)現(xiàn)水由10℃下降到零度后并沒有保持不變，而是繼續(xù)下降到-8℃，然后，又上升到零度后才保持不變，此時(shí)水開始凝固，當(dāng)水全部凝固成冰以后，溫度又繼續(xù)下降到-10℃左右.水的這種降溫規(guī)律與常見的水的凝固規(guī)律不同.如果用普通的溫度計(jì)做這一實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)這種意外現(xiàn)象，教師也許會(huì)當(dāng)作一次失敗的實(shí)驗(yàn)將它忽略掉.其實(shí)這是傳感器意外捕獲的一種比較罕見的水的過冷現(xiàn)象，傳感器不但記錄了這種變化規(guī)律，而且將這一變化規(guī)律的證據(jù)保留了下來(lái)，這是普通的液體溫度計(jì)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所無(wú)法做到的.

圖7

綜上所述，DIS實(shí)驗(yàn)相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化程度高等很多優(yōu)點(diǎn).使用傳感器做實(shí)驗(yàn)便于形成直觀的、反映物理規(guī)律的圖像，便于學(xué)生深入研究物理現(xiàn)象和規(guī)律.但筆者也發(fā)現(xiàn)，真正適用于初中物理教學(xué)的DIS實(shí)驗(yàn)并不多，因此，不能盲目亂用DIS實(shí)驗(yàn)，更不能拋棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn).如初中的聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、和大部分熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器就能完成，還能留給學(xué)生更多的動(dòng)手和動(dòng)腦的時(shí)間和空間，如果將它們改成DIS實(shí)驗(yàn)，也許適得其反.因此，必須適量、適度地使用DIS 實(shí)驗(yàn)，讓DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，讓DIS實(shí)驗(yàn)更好地為初中物理教學(xué)服務(wù).