DIS實驗在初中物理教學中的應用初探

沈孝兵 楊 理

(南京市育英第二外國語學校 江蘇 南京 210044)

眾所周知，DIS實驗室即數字化信息系統 (Digital Information System Laboratory)，簡稱DISLab.它是由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包(教材專用軟件、通用擴展軟件)+計算機”構成的新型實驗系統，DIS實驗由于其精度高，效果準，操作簡單，自動化程度高在高中的物理教學中已經大量應用.筆者嘗試將DIS實驗引入初中物理課堂，發現初中物理的部分力學、熱學、電學實驗也可以使用傳感器來做，且相對傳統實驗具有以下一些優點.

1 自動化程度高操作簡單

DIS實驗采集、分析數據的自動化程度高，它將數據的采集、分析及繪圖工作交給計算計，相對于傳統實驗的操作更簡單.

在物態變化的教學中，筆者將普通的溫度計換成溫度傳感器放在電水壺中，做水的沸騰實驗，整個實驗用時約8 min，電腦上就自動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量約3 g的水中(水裝在一個管里，以鹽水冰為低溫源)，探究了水的凝固規律，水的凝固圖像如圖1(b)所示，當水凝固成零下13℃的冰以后將它們取出放在室溫環境下，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間不到15 min.

由此可見，相對于傳統實驗，DIS實驗的操作更加簡單方便，將學生從讀數、記數據和繪圖等費時的簡單勞動中解放出來.傳感器收集和處理好數據后，DIS 系統快速的數-圖的轉換能夠更加清晰、明確地展示現象，揭示規律.

圖1

2 計數速度快易于捕捉瞬間變化的物理量

DIS實驗儀器的計數頻率高，可達每秒20次，因此，傳感器能捕捉到常規儀器不易捕捉的瞬間變化的物理量.

在“伏安法測小電燈的電阻”的教學中，在用電壓表、電流表和滑動變阻器做完實驗，并引導學生分析數據得出“燈絲的電阻與隨溫度的升高而增加”結論后，筆者將電流表換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的時間內由零變到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電阻比正常工作時要小，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，在彈簧測力計下用細線吊一玻璃板，先讓玻璃板水平浸沒在水中，再緩緩向上拉彈簧測力計，可以發現玻璃板下表面剛要離開水面的那一瞬間測力計的示數比玻璃離開水面后的彈簧測力計示數要大.筆者將彈簧測力計換成力學傳感器，再向上緩緩提起玻璃時，電腦記錄下拉力的變化如圖3(b)所示，傳感器不但測出了力的大小，而且將玻璃板下表面離開水面的那一瞬間力的變化規律捕捉到并保存下來，從而更形象地說明了分子間存在引力.

圖3

講大氣壓強時，教師常用吸盤和彈簧測力計粗測大氣壓強的大小，如圖4(a)所示，但是用彈簧測力計將吸盤從玻璃板上拉開的瞬間測力計的示數不易讀取，從而產生較大的測量誤差.筆者改用力學傳感器拉一個直徑為13 mm的吸盤(吸盤和玻璃板之間加點水以排盡盤內空氣)，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約為0.85*105Pa.

由此可見，DIS實驗能完成一些常規儀器不易完成的實驗，能彌補常規儀器的不足，加深和拓展了傳統實驗，是更高層次的信息技術與傳統實驗的整合與應用.

圖4

3 數-圖轉換速度快便于揭示深層物理規律和保留實驗證據

DIS系統不僅能自動采集、處理數據和快速繪圖，實驗過后，實驗的數據和圖像還可以保留，便于教師向學生揭示深層物理規律和讓學生進行深入的探究.

在講解“力的作用是相互的”一節內容時，筆者用兩個力學傳感器對拉，電腦上出現了一個軸對稱圖形，如圖5所示，由圖5不僅可以引導學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產生和同時消失的，而這一點是兩只普通的彈簧測力計沒法做到的.

圖5

在講到“電磁感應發電機”時，教師會用微風扇演示磁生電現象.如圖6(a)所示，在微風扇的插頭處接一個發光二極管，用手旋轉葉片，二極管將一閃一閃地發光，筆者將二極管換成電壓(或電流)傳感器，用手旋轉葉片，傳感器記錄下感應電流的大小和方向隨時間發生周期性變化，如圖6(b)所示，從而讓學生“看”出轉動微風扇(交流電動機)所發出的電是交流電.

圖6

使用DIS實驗的另一個好處是保留意外的實驗證據，筆者有一次在探究水的凝固規律時，溫度傳感器記錄了水的溫度隨時間的變化圖像，如圖7所示，由圖7可以發現水由10℃下降到零度后并沒有保持不變，而是繼續下降到-8℃，然后，又上升到零度后才保持不變，此時水開始凝固，當水全部凝固成冰以后，溫度又繼續下降到-10℃左右.水的這種降溫規律與常見的水的凝固規律不同.如果用普通的溫度計做這一實驗，出現這種意外現象，教師也許會當作一次失敗的實驗將它忽略掉.其實這是傳感器意外捕獲的一種比較罕見的水的過冷現象，傳感器不但記錄了這種變化規律，而且將這一變化規律的證據保留了下來，這是普通的液體溫度計和傳統實驗方法所無法做到的.

圖7

綜上所述，DIS實驗相對于傳統實驗具有操作簡單方便、自動化程度高等很多優點.使用傳感器做實驗便于形成直觀的、反映物理規律的圖像，便于學生深入研究物理現象和規律.但筆者也發現，真正適用于初中物理教學的DIS實驗并不多，因此，不能盲目亂用DIS實驗，更不能拋棄傳統實驗.如初中的聲學、光學、磁學、和大部分熱學、力學、電學實驗用傳統的實驗儀器就能完成，還能留給學生更多的動手和動腦的時間和空間，如果將它們改成DIS實驗，也許適得其反.因此，必須適量、適度地使用DIS 實驗，讓DIS實驗和傳統實驗相結合，充分發揮傳統實驗和DIS實驗的優勢，讓DIS實驗更好地為初中物理教學服務.