傳感器在高中物理新課程實驗教學中的應用與思考

　　摘要：傳感器進入中學物理實驗室，不僅成為信息技術與物理課程整合、教育手段現代化的一個新的突破口，而且對學生物理創造性思維能力的培養起到了重要的作用。本文結合教學實例，對傳感器在高中物理新課程實驗教學中的優點、應用程序和合理應用等方面進行了思考和論述。
　　關鍵詞：傳感器；高中物理；實驗教學；信息技術
　　中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)2(S)-0070-4
　　
　　信息技術正在改變人們的生活方式、思維方式和教育方式，如何發揮信息技術在課程改革中的作用，也是當前課程改革研究的一個重要問題。 2003年國家公布的新課程標準，對信息技術與物理課程的整合提出了具體的要求，尤其是將傳感器列入中學物理課程，提出“了解常見傳感器及其應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便”，這在我國中學物理教學中還是頭一回。
　　傳感器進入中學物理實驗室，不僅成為信息技術與物理課程整合、教育手段現代化的一個新的突破口，而且還能突出物理學科重實際、重應用的特點，對培養學生實踐動手能力，激發學生學習科技的興趣，提高綜合素質和發展創新思維有著重要的作用。2006年8月，我校購進了幾套傳感器設備，三年多來，我校師生在利用傳感器輔助物理課堂實驗教學方面受益非淺。本文就此方面進行一些探討和思考，希望能夠對廣大師生有所幫助。
　　
　　1 什么是傳感器
　　
　　在新課程的實施過程中，隨著教學手段現代化發展，傳感器作為一類新的教學儀器、一種新的實驗方法進入了高中物理課堂。傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器實際上相當于人類的“五官”，它擔負著信息采集的任務。在物理實驗中，傳感器能夠感受諸如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照度等非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流、電阻等電學量，并能放大、傳輸、儲存、顯示或做出必要的控制。
　　
　　2 傳感器在高中物理實驗教學中的優點
　　
　　與傳統的實驗儀器相比，傳感器能使原來不容易實現的實驗或者無法定量分析的實驗均能順利完成，大大激發了學生的興趣，活躍了課堂氣氛，提高了教學效率。
　　2．1 使實驗過程可視化，利于學生理解物理概念
　　物理實驗教學的成功經驗表明：讓學生“看到現象”是實驗成功的關鍵。當傳統的實驗難以呈現相關的物理現象與過程時，運用傳感器技術使實驗過程可視化，有利于學生對物理概念的理解。如使用力傳感器進行牛頓第三定律教學，取得了令人滿意的效果。實驗中，通過軟件分別將兩只傳感器的“力-時間”圖線定義為紅色和藍色，將其中一個傳感器的圖線設為“鏡像顯示”。兩手各持一只力傳感器，向相反方向拉。觀察獲得的圖線，發現兩條圖線以時間軸為中心上下對稱（圖1）。相互作用的力，大小相同方向相反的規律得以清晰展現。圖 1
　　2．2 使暫態現象凝固化，利于學生理解物理本質
　　在電磁學實驗教學過程中，一些物理現象雖然并非微小信號，但持續時間很短，比如自感現象?；趥鹘y儀器，物理現象的表現不過是小燈泡的瞬間明滅或電流表（電壓表）指針的快速擺動，面對儀器的瞬間變化，學生的思維來不及跟隨，實驗效果受到影響。因此，怎樣捕捉暫態信號，把物理過程的瞬間變化凝固下來讓學生仔細觀察和分析，一直令我們很傷腦筋。在自感現象中引入電流傳感器后，即可得到兩條清晰展示通電自感與斷電自感現象全過程的圖線（圖2），使學生直觀地看到自感對電流的影響，引導學生認識自感現象的本質。接著啟用傳統的自感現象演示器，展示兩只小燈泡的亮度變化，驗證學生分析推理的正確與否。學生由被動地聽講變成了主動參與，在積極地對話交流過程中加深了對自感現象本質的理解，大大提高了課堂教學的效果。圖 2
　　2．3 使微觀現象直觀化，激發學生學習物理興趣
　　聲波作為機械波的特例，怎樣讓學生了解并掌握聲音規律是令很多教師頭疼的事情。自從聲傳感器應用于教學后，問題一下就簡單多了，聲傳感器可以直接檢測聲音的振幅衰減過程，在計算機上可以清晰地看到這一過程。同時利用聲傳感器也可以檢測到聲源振動的頻率，栩栩如生，一目了然。傳感器技術使微觀現象直觀化，而且調動了學生的主動性，激發了學生對物理的學習興趣。
　　2．4 學生自主時間增多，利于課堂實施探究教學
　　傳統實驗探究將占去了大部分時間，根本沒有足夠的時間讓學生充分自由表達、質疑和提問。而利用傳感器和數據采集器代替人眼讀取數據，用計算機軟件取代紙筆方式記錄數據，計算機軟件代替人腦對數據進行簡單處理和分析，使學生擺脫了繁瑣的計算過程。傳感器和數據采集器其強大的信息處理能力能夠直接把測量數據的變化過程通過“待測物理量-時間”圖象顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關系。這讓學生能夠將更多的時間、精力用于實驗設計，用于探究和分析，用于驗證和修改假設，有利于合作學習、自主探究的實施。
　　
　　3 傳感器在高中物理新課程實驗教學中的應用程序和案例
　　
　　3．1 主要程序
　　3．2 應用案例
　　實驗內容：探究加速度與力、質量的關系（人教版高中物理必修1第四章第2節）
　　實驗目的：知道用控制變量方法來研究加速度與力和質量的關系；利用位移傳感器和計算機輔助實驗系統測量，利用Excel分別得到加速度與力、加速度與質量的關系圖像，尋求物理規律。
　　實驗器材：位移傳感器、軌道小車（質量181g）、“朗威DISLab”數據采集器、教材專用軟件、計算機；塑料桶（12g），專用砝碼5g、10g、20g若干；專用鐵片若干（50g）。
　　實驗原理：把小車放在光滑的水平軌道上，并系一根繩，繩的另一端跨過定滑輪并系住砝碼，使小車在砝碼的拉力作用下作勻加速運動。將小車與測試加速度的運動傳感器連接，并連入電腦，通過“朗威DISLab”教材專用軟件“從v-t圖求加速度”系統，快速地求出加速度a。小車的質量和力的大小可以通過增減砝碼來改變。
　　實驗步驟：
　?。?）將位移傳感器接收器固定在軌道的一端，連接到數據采集器，將位移傳感器發射器固定在小車上。
　?。?）進行平衡摩擦力調整：運行單機運行平臺，打開教材專用軟件“從v-t圖求加速度”系統。當得到速度圖像成一條直線、加速度接近零，平衡摩擦力的調整完成。
　?。?）研究力與加速度的關系。
　　①將小車放到軌道上，打開位移傳感器發射電源開關；點擊“開始按鈕”釋放小車，使小車在砝碼的拉動下開始運動。待小車運動到軌道另一端，點擊“關閉按鈕”，結束第一次數據采集。
　?、趨⒄昭芯縿蜃兯僦本€運動的方法選擇一段v-t圖像，專用軟件“從v-t圖求加速度”系統自動求出a。
　?、郾３中≤囐|量不變，逐次增加砝碼的質量使其對小車施加的拉力逐步增大，重復步驟①②。
　　④實驗的多次采集的數據記錄如表1。
　?。?）研究加速度與質量的關系。
　　操作方法同研究力與加速度。提供拉車的砝碼質量12g一定，小車連同位移傳感器、固定螺絲等總質量約為181g。改變運動物體的質量的鐵片質量50g。實驗的多次采集的數據如表2。
　?。?）在Excel中輸入數據，選中需要作圖的數據區域，單擊“插入”菜單中的“圖表”。
　?。?）在跳出的對話框中選中“XY散點圖”，單擊“下一步”進入“步驟二”，再單擊“下一步”進入“步驟三”。在“步驟三”中完成對圖表標題，坐標軸的標題等的設置，單擊“完成”就生成了實驗數據的分布圖。
　　
　?。?）選中圖中的數據點，在右鍵菜單中選擇“添加趨勢線”，在對話框中的“類型”項選中“線性”，在“選項”項中勾選“顯示公式”和“顯示R2”兩項，單擊“確定”按鈕。
　?。?）畫好a與F圖線（圖3）后，發現在添加趨勢線后如果用“線性”，R2值接近1。畫好a與m圖線后，發現在添加趨勢線后如果仍然用“線性”，R2的值偏離1較大，而且很多點也不在直線上。這說明“a-m”的關系不一定是線性的，可以在圖線上右擊選中“趨勢線格式”，打開對話框“類型”，改選“乘冪”后“確定”，發現圖線變成了曲線，方程變為了冪函數形式，指數接近-1，R2的值非常接近1，因此可以確定a與m成反比關系（圖4）。我們再畫出“a-1/m”的圖線（圖5），進一步確定a與m的關系。
　　可以得出：質量一定，加速度與力成正比關系；力一定，加速度與質量成反比關系。
　　（簡評：傳感器應用于物理實驗的優勢在于能精確、實時地測量并記錄物理信息數據，實現了數與形的結合，物與圖的結合。）
　　實驗結論：物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質量成反比。
　　應用拓展：隨后，讓學生分析直線與原點之間存在距離的原因，引出實驗誤差的概念，并尋找誤差產生的原因，進而研究減小誤差的方法。
　　
　　4 案例反思
　　
　　4．1 傳感器的合理應用提高了教學的有效性
　　在本案例中，如果采用教材中所提供的實驗方案（用夾子夾住小車后面的繩子控制小車的運動），雖然實驗思想方法很好，但是操作困難、實驗誤差大，甚至個別學生很努力也得不到定量的實驗結論，不利于培養學生實事求是的科學素養。根據本校的實際情況，筆者改用位移傳感器和計算機輔助實驗系統，記錄運動小車通過兩個位置的速度和時間間隔，利用a=vt-v0t，快速地求出加速度a。利用測出的多組精確的實驗數據，學生能像真實的科學研究那樣分析處理這些數據，突破了教學難點，起到了事半功倍的效果。而且實驗過程格外緊湊，中間干擾明顯減少。從提出探究課題、制訂實驗方案、采集數據分析，得出結論僅需1課時，不僅增加了學生自主實驗設計的時間，而且提高了課堂實驗教學有效性。
　　4．2 傳感器的合理應用體現了現代信息技術與課程的有機整合
　　傳感器應用于高中物