傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的整合

張凌英

【摘? ? 要】? 傳感器與初中物理實(shí)驗(yàn)的整合不僅能提高教學(xué)效率，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。本文較系統(tǒng)地介紹了朗威DISLab計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以及傳感器與初中物理實(shí)驗(yàn)整合的路徑與作用。

【關(guān)鍵詞】? 傳感器;初中物理;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在初中物理實(shí)驗(yàn)中融入傳感器技術(shù)可以使某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得以優(yōu)化，還可以利用傳感器為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求采用不同的模塊組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，促使物理實(shí)驗(yàn)的功能不斷強(qiáng)大。在模塊的選擇和合理使用的過(guò)程中有利于學(xué)生的開(kāi)放性思維發(fā)展和科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，敢于創(chuàng)新的探索精神和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

系統(tǒng)簡(jiǎn)介：初中物理實(shí)驗(yàn)室一般使用朗威DISLab計(jì)算機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器，數(shù)據(jù)采集器和專用軟件構(gòu)成。傳感器采用4路并行方式通信，將實(shí)驗(yàn)中采集到的物理量輸入數(shù)據(jù)采集器。系列傳感器即插即用，最多并行4種信息采集，并可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)以串行方式通信，將信息輸入計(jì)算機(jī)。它同時(shí)具備電流表、電壓表、示波器、數(shù)字毫秒計(jì)、溫度計(jì)和氣壓計(jì)等儀器設(shè)備的功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的高精度和數(shù)字化。專用軟件提供了多模顯示、組合顯示、視圖放大、圖線分析、自定義變量和表達(dá)式等有效手段，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理十分便捷。

一、整合課程資源，巧用傳感器優(yōu)化傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)

郎威DISLab傳感器系統(tǒng)具有種類齊全、操作方便的特點(diǎn)。在蘇科版聲音現(xiàn)象這一章中，可用聲波傳感器、數(shù)據(jù)采集器，將看不見(jiàn)的聲音轉(zhuǎn)化為看得見(jiàn)的聲波波形圖，進(jìn)行比較和研究。探究聲音與響度關(guān)系時(shí)，可用同一音叉靠近聲波傳感器，隨著聲音響度的變小，波形圖上的振幅也越來(lái)越小。同樣，可用頻率高低不同的音叉靠近聲波傳感器，不僅可直觀看到振動(dòng)的快慢不同，而且還可以根據(jù)橫坐標(biāo)的時(shí)間算出音叉的頻率。若用聲波傳感器研究弦樂(lè)器音調(diào)高低與哪些因素有關(guān)，可同時(shí)輸入兩個(gè)不同頻率的聲音，直接同屏顯示出的波形圖，比較頻率的高低。用此裝置還可以觀察不同音色的樂(lè)音的波形圖。

溫度傳感器具有高精度，比傳統(tǒng)的溫度計(jì)更靈敏，在初中熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著積極作用。在研究紅外線的熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于溫度計(jì)靈敏度不夠，雖然采用了將溫度計(jì)玻璃泡涂黑，但實(shí)驗(yàn)效果仍然不太好。研究做功改變物體內(nèi)能的實(shí)驗(yàn)中，靠手感覺(jué)彎折后的鐵絲溫度升高，對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)也不是很嚴(yán)謹(jǐn)。此時(shí)采用溫度傳感器，不僅能提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度，而且可以將溫度變化通過(guò)顯示器直觀地顯示出來(lái)。在傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的整合過(guò)程中，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中感受傳感器的優(yōu)勢(shì)，領(lǐng)略到科學(xué)技術(shù)的魅力。在熟悉傳感溫度計(jì)使用的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷過(guò)“探究冰、燭蠟的熔化特點(diǎn)”演示實(shí)驗(yàn)后，在“探究不同物質(zhì)吸熱升溫的想象”“探究影響電流熱效應(yīng)的因素”等熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以用溫度傳感器代替溫度計(jì)，并將數(shù)據(jù)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，既提高了實(shí)驗(yàn)的效率，同時(shí)也將教學(xué)重心轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等能力培養(yǎng)上。

壓強(qiáng)傳感器在解決液體壓強(qiáng)與液體密度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中可以將不明顯的壓強(qiáng)差通過(guò)放大，可以直觀顯示出來(lái);壓強(qiáng)傳感器還可以研究氣體壓強(qiáng)與溫度、體積的關(guān)系，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)。

二、利用傳感器模塊組合，突破教學(xué)難點(diǎn)

在《二力平衡》這節(jié)課中，由于彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量精度的局限性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)探究時(shí)往往只研究靜止時(shí)的重力和拉力的關(guān)系。很少去研究勻速直線時(shí)拉力和重力的關(guān)系。對(duì)于在豎直方向上受拉力和重力的物體，在任意方向上只要做勻速直線運(yùn)動(dòng)，重力和拉力始終大小相等。這是學(xué)生思維容易發(fā)生障礙的地方，運(yùn)用力學(xué)傳感器替代傳統(tǒng)的彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這一問(wèn)題，學(xué)生非常直觀地看到重力和拉力在勻速上升和勻速下降，勻速向任意方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉力和重力始終相等。當(dāng)物體在剛開(kāi)始上升和停止上升時(shí)示數(shù)的變化，為后續(xù)的加速和減速時(shí)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系提供感性認(rèn)識(shí)，為后續(xù)的研究作鋪墊。

在研究力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以選擇力傳感器和位移傳感器同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)，如下操作：用膠帶將位移傳感接收器固定在鉤碼上并連接到數(shù)據(jù)采集器，位移傳感器的發(fā)射端固定桌面上。打開(kāi)發(fā)射器開(kāi)關(guān)，讓鉤碼運(yùn)動(dòng)，窗口將顯示位移與時(shí)間曲線。點(diǎn)擊“選擇區(qū)域”，在圖像上選擇所研究的線段，點(diǎn)擊起始點(diǎn)，再點(diǎn)擊“v-t圖像”，即可出現(xiàn)速度圖像。物體的位移、速度在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的大小和方向和拉力大小可同時(shí)完整的顯示出來(lái)，便于分析與比較。

三、傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)整合，提升教研層次

結(jié)合傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展教學(xué)研究的內(nèi)容比較廣泛。很多中學(xué)實(shí)驗(yàn)有了傳感器，可以輕而易舉地化看不見(jiàn)為看得見(jiàn)，化抽象為形象，化復(fù)雜為簡(jiǎn)單。教師要緊密圍繞傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有意識(shí)地發(fā)掘一些問(wèn)題。如研究滑動(dòng)摩擦力大小是否跟速度大小有關(guān)一直是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)，借助力傳感器和位移傳感器，這一問(wèn)題輕松得以解決。研究彈簧振子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力與運(yùn)動(dòng)情況也可以借助力傳感器和位移傳感器模塊組合進(jìn)行研究，讓學(xué)生同時(shí)觀察到力、速度和位移在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的大小和方向。所以在教研活動(dòng)中可以提出力傳感器和位移傳感器模塊組合可以解決的力學(xué)問(wèn)題，使教研活動(dòng)更有完整性和目標(biāo)的指向性，使教研活動(dòng)真正成為改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手段、提高實(shí)驗(yàn)效率的重要手段和方式。

傳感器與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)整合不僅有利于教師提升自己的研究能力，還可以更加有效地帶動(dòng)學(xué)生參與科研過(guò)程，提高學(xué)生的研究能力。通過(guò)傳感器為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)和探究的平臺(tái)，帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)需要和實(shí)驗(yàn)的要求采用不同的模塊組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。如運(yùn)用濕度傳感器和溫度傳感器探究“濕度對(duì)液體蒸發(fā)快慢的影響”，運(yùn)用聲傳感器和光傳感器研究自動(dòng)感應(yīng)燈，運(yùn)用光敏電阻設(shè)計(jì)光計(jì)數(shù)器。讓學(xué)生了解空調(diào)、電冰箱、微波爐等溫度傳感器的作用基礎(chǔ)上，應(yīng)用溫度傳感器、濕度傳感器等結(jié)合簡(jiǎn)單電路，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)。讓學(xué)生在探究實(shí)踐中體會(huì)科技發(fā)展，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中培養(yǎng)創(chuàng)新能力，真正讓物理走進(jìn)生活，走進(jìn)社會(huì)。

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