利用無線DIS創新演示固體微小形變

盧政 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006 )

1 引言

在人教版高中物理教材關于微小形變演示實驗的裝置中，激光出射后經過木桌上兩塊平面鏡的反射，最終在墻上形成光點[1]．基于光學放大原理，當教師用力按壓桌面使其向內凹陷，學生可以明顯觀察到墻上的光點發生移動，從而間接感受到桌面的微小形變．該演示實驗的準備和操作較為困難，難以達到清晰、直觀的演示效果[2]．

《普通高中物理課程標準(2017年版)》提出：提高物理教學水平，發展學生物理學科核心素養，離不開信息技術與物理學習的融合[3]．為了響應教育信息化的號召，促進信息技術與物理課堂教學的有機整合，豐富學生對于固體微小形變的感性認識，提高實驗教學質量與效率，筆者運用無線DIS裝置設計了3種演示固體微小形變的創新實驗方案，為物理課堂的教學提供一些參考．

2 無線數字化信息系統

DIS(Digital Information System)中文名稱為數字化信息系統，它是一個由傳感器獲取信息，經過數據采集器傳輸到計算機，通過專用軟件對數據和圖像進行精確化信息處理的實驗研究平臺[4]．近年來隨著研發技術的不斷進步，將圖1中的無線發射模塊與傳感器相連，下載相應實驗軟件后，便可以實現“傳感器-移動設備”的無線藍牙傳輸，在手機或iPad等移動設備上實時觀測數據變化，并進行圖像處理，極大地提高了實驗的方便程度，為教師演示實驗或學生分組實驗提供更多可能．

圖1 無線發射模塊

筆者深入研究無線DIS的使用方法及圖像處理技巧后，分別運用磁感應強度傳感器、光照度傳感器及力傳感器設計了3種演示固體微小形變的實驗方案，力求將固體的微小形變量轉化為可直接形象觀察的物理量變化，充分體現信息技術為物理教學帶來的便利，增添物理課堂的趣味性．

3 固體微小形變的創新演示設計

3.1 實驗器材準備

該實驗需要的主要器材如圖2所示：磁感應強度傳感器、光照度傳感器、力傳感器、無線發射模塊、條形磁鐵、激光筆、0.5 cm厚硬木板、3 cm厚木質底座、智能手機、鐵架臺．

圖2 實驗器材

3.2 實驗軟件準備

在手機或其他移動設備中搜索并下載軟件“Llongwill Labs”(賽靈格移動式數字化科學實驗及探究系統)，將無線發射模塊與傳感器相接后，打開軟件及啟用手機藍牙功能，掃描圖3中無線發射模塊背面的二維碼，傳感器所測得的數據即會在手機軟件的界面實時顯示，如圖4所示．該軟件的功能及使用方法與傳統的有線DIS通用軟件大致相同，其優點是擺脫了傳輸線及電腦的束縛，在手機屏幕可以直接觀測實驗數據，為教師和學生在不同空間中開展實驗提供可能[5，6]．在微小形變演示過程中，教師也可以通過投屏軟件將手機屏幕的畫面投送到電腦，使全班學生能同步清晰觀察實驗數據隨時間的變化曲線．

圖3 無線發射模塊二維碼

圖4 “Llongwill Labs”軟件界面

3.3 磁感應強度傳感器演示實驗設計

運用木質底座把硬木板架起，將無線發射模塊與磁感應強度傳感器相連接，啟動發射模塊，打開手機軟件后掃描二維碼，實現手機與磁感應強度傳感器的數據接通．將磁感應強度傳感器及條形磁鐵橫放于木板上方中軸線處，并保持二者成一條直線，如圖5所示，實驗開始前需對磁感應強度傳感器預熱約2 min．

圖5 磁感應強度測量裝置

傳感器預熱完畢后，在手機軟件上選擇“組合圖線”功能，以時間t為橫軸，磁感應強度B為縱軸建立坐標系，啟動讀數．此時，可以觀測到手機屏幕上實時顯示磁感應強度的大小變化，讀數的絕對值即為測量點處平行于探管方向的磁感應強度分量．條形磁鐵北極指向探管，傳感器所測得磁感應強度的初始值為-3.90 mT．雙手同時用力按壓探管兩側木板，手機屏幕顯示傳感器所測得的磁感應強度明顯增大，且變化值與按壓力度的大小有關，如圖6所示．實驗圖像說明木板受力后發生微小形變，向內凹陷使條形磁鐵與探管的相對位置產生變化，從而影響了磁感應強度的測量值,4次按壓過程中，按壓力度越大，木板形變程度越高，磁感應強度的測量值變化越大．

圖6 磁感應強度實時測量

3.4 光照度傳感器演示實驗設計

利用木質底座架起硬木板并連接光照度傳感器與手機軟件．將光照度傳感器放置于硬木板上方，利用鐵架臺及固定夾使激光筆保持常亮狀態，如圖7所示．通過調節鐵架臺的高度及激光筆的角度，保證激光準確入射到光照度傳感器的接收孔內，如圖8所示．

圖7 光照度測量裝置

圖8 準確接收激光

運用手機軟件的“組合圖線”功能，以時間t為橫軸，光照度L為縱軸建立坐標系，啟動讀數后手機屏幕將顯示光照度傳感器每一時刻單位面積上接收到的光通量，其初始值約為1 339 Lux．此時用雙手同時按壓傳感器兩側木板，手機屏幕顯示傳感器所測得的光通量明顯減小，且減小的程度與按壓的力度大小有關．在4次按壓過程中，按壓力度越大，傳感器所測得的光通量越低，如圖9所示．實驗圖像說明木板受力后發生微小形變，木板向內凹陷令激光無法對準光照度傳感器的接收孔，凹陷程度越大，激光入射接收孔的偏離程度越高，最終使得單位面積入射到傳感器內的光通量下降．

圖9 光照度實時測量

3.5 力傳感器演示實驗設計

將力傳感器與無線發射模塊相連接后，利用木塊將力傳感器架起，使受力金屬鉤垂直于硬木板，如圖10所示．

圖10 受力測量裝置

連通力傳感器與手機軟件后，啟用“組合圖線”功能，以時間t為橫軸，力F為縱軸建立坐標系．在重力的作用下，靜止狀態的力傳感器會受到木板給予其向上的支持力，故可以觀測到F的初始值約為-0.44 N．此時雙手用力按壓傳感器兩側木板，木板由于受力發生微小形變，所以給予力傳感器的支持力也同時發生了改變，從手機屏幕上可以觀測到，在4次按壓的過程中，按壓力度越大，傳感器的示數變化越明顯，如圖11所示．

圖11 受力實時測量

4 基于無線DIS的教學思考

傳統的DIS裝置需要經過數據線將傳感器所測得的物理量傳輸到電腦，再做進一步的處理．無線DIS裝置則打破了實驗的空間界限，克服了有線裝置帶來的不便．課室已經不再是唯一和必要的實驗場所，教師和學生能夠以靈活多樣的方式在戶外開展實驗探究．此外，軟件“Llongwill Labs”中更含有如積分、函數擬合、極值點求取等強大的圖像數據處理功能，這是常規手機傳感器軟件所不能比擬的，其圖像數據處理功能可以很好地培養學生運用信息技術分析和解決物理問題的能力，極大地提高學生學習物理的興趣，充分挖掘學生的創造潛能．

與無線DIS裝置配套的手機軟件在使用方法上與傳統的電腦軟件相同，學生和教師在使用時的學習成本較低，可以很好地提高課堂教學效率．此外，教師可充分挖掘利用無線DIS裝置進行課外探究實驗的可能，或考慮借助無線DIS在傳統實驗的基礎上進行改良和完善，引導學生合理發揮想象，探索范圍更廣闊，思想更具深度的物理問題．

5 總結

DIS實驗平臺為物理實驗教學提供了多樣化的方法和思路，無線發射模塊使得DIS裝置操作靈活度更高、實驗開展更加簡便、實驗效率有所提高．本文針對固體微小形變的演示實驗提出3項簡易而創新的方案，使原本不易觀察的微小形變量實現轉化，轉化為可直接測量的磁感應強度變化量、光照度變化量、支持力變化量．借助無線DIS裝置開展物理教學，能充分提高學生利用信息技術解釋自然現象、解決實際問題的意識和能力．