傳感器在高中物理新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與思考

　　摘要：傳感器進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，不僅成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個(gè)新的突破口，而且對(duì)學(xué)生物理創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)起到了重要的作用。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)例，對(duì)傳感器在高中物理新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用程序和合理應(yīng)用等方面進(jìn)行了思考和論述。
　　關(guān)鍵詞：傳感器；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；信息技術(shù)
　　中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2011)2(S)-0070-4
　　
　　信息技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳罘绞?、思維方式和教育方式，如何發(fā)揮信息技術(shù)在課程改革中的作用，也是當(dāng)前課程改革研究的一個(gè)重要問題。 2003年國(guó)家公布的新課程標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)信息技術(shù)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(xué)物理課程，提出“了解常見傳感器及其應(yīng)用，體會(huì)傳感器的應(yīng)用給人們帶來的方便”，這在我國(guó)中學(xué)物理教學(xué)中還是頭一回。
　　傳感器進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，不僅成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個(gè)新的突破口，而且還能突出物理學(xué)科重實(shí)際、重應(yīng)用的特點(diǎn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣，提高綜合素質(zhì)和發(fā)展創(chuàng)新思維有著重要的作用。2006年8月，我校購(gòu)進(jìn)了幾套傳感器設(shè)備，三年多來，我校師生在利用傳感器輔助物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面受益非淺。本文就此方面進(jìn)行一些探討和思考，希望能夠?qū)V大師生有所幫助。
　　
　　1 什么是傳感器
　　
　　在新課程的實(shí)施過程中，隨著教學(xué)手段現(xiàn)代化發(fā)展，傳感器作為一類新的教學(xué)儀器、一種新的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)入了高中物理課堂。傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。傳感器實(shí)際上相當(dāng)于人類的“五官”，它擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)。在物理實(shí)驗(yàn)中，傳感器能夠感受諸如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等非電學(xué)量，并能把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為電壓、電流、電阻等電學(xué)量，并能放大、傳輸、儲(chǔ)存、顯示或做出必要的控制。
　　
　　2 傳感器在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)
　　
　　與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比，傳感器能使原來不容易實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)或者無(wú)法定量分析的實(shí)驗(yàn)均能順利完成，大大激發(fā)了學(xué)生的興趣，活躍了課堂氣氛，提高了教學(xué)效率。
　　2．1 使實(shí)驗(yàn)過程可視化，利于學(xué)生理解物理概念
　　物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成功經(jīng)驗(yàn)表明：讓學(xué)生“看到現(xiàn)象”是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。當(dāng)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)相關(guān)的物理現(xiàn)象與過程時(shí)，運(yùn)用傳感器技術(shù)使實(shí)驗(yàn)過程可視化，有利于學(xué)生對(duì)物理概念的理解。如使用力傳感器進(jìn)行牛頓第三定律教學(xué)，取得了令人滿意的效果。實(shí)驗(yàn)中，通過軟件分別將兩只傳感器的“力-時(shí)間”圖線定義為紅色和藍(lán)色，將其中一個(gè)傳感器的圖線設(shè)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(fā)現(xiàn)兩條圖線以時(shí)間軸為中心上下對(duì)稱（圖1）。相互作用的力，大小相同方向相反的規(guī)律得以清晰展現(xiàn)。圖 1
　　2．2 使暫態(tài)現(xiàn)象凝固化，利于學(xué)生理解物理本質(zhì)
　　在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，一些物理現(xiàn)象雖然并非微小信號(hào)，但持續(xù)時(shí)間很短，比如自感現(xiàn)象。基于傳統(tǒng)儀器，物理現(xiàn)象的表現(xiàn)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(dòng)，面對(duì)儀器的瞬間變化，學(xué)生的思維來不及跟隨，實(shí)驗(yàn)效果受到影響。因此，怎樣捕捉暫態(tài)信號(hào)，把物理過程的瞬間變化凝固下來讓學(xué)生仔細(xì)觀察和分析，一直令我們很傷腦筋。在自感現(xiàn)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(xiàn)象全過程的圖線（圖2），使學(xué)生直觀地看到自感對(duì)電流的影響，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象的本質(zhì)。接著啟用傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象演示器，展示兩只小燈泡的亮度變化，驗(yàn)證學(xué)生分析推理的正確與否。學(xué)生由被動(dòng)地聽講變成了主動(dòng)參與，在積極地對(duì)話交流過程中加深了對(duì)自感現(xiàn)象本質(zhì)的理解，大大提高了課堂教學(xué)的效果。圖 2
　　2．3 使微觀現(xiàn)象直觀化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣
　　聲波作為機(jī)械波的特例，怎樣讓學(xué)生了解并掌握聲音規(guī)律是令很多教師頭疼的事情。自從聲傳感器應(yīng)用于教學(xué)后，問題一下就簡(jiǎn)單多了，聲傳感器可以直接檢測(cè)聲音的振幅衰減過程，在計(jì)算機(jī)上可以清晰地看到這一過程。同時(shí)利用聲傳感器也可以檢測(cè)到聲源振動(dòng)的頻率，栩栩如生，一目了然。傳感器技術(shù)使微觀現(xiàn)象直觀化，而且調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。
　　2．4 學(xué)生自主時(shí)間增多，利于課堂實(shí)施探究教學(xué)
　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究將占去了大部分時(shí)間，根本沒有足夠的時(shí)間讓學(xué)生充分自由表達(dá)、質(zhì)疑和提問。而利用傳感器和數(shù)據(jù)采集器代替人眼讀取數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件取代紙筆方式記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件代替人腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理和分析，使學(xué)生擺脫了繁瑣的計(jì)算過程。傳感器和數(shù)據(jù)采集器其強(qiáng)大的信息處理能力能夠直接把測(cè)量數(shù)據(jù)的變化過程通過“待測(cè)物理量-時(shí)間”圖象顯示出來，直觀地看出物理量之間的變化關(guān)系。這讓學(xué)生能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間、精力用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用于探究和分析，用于驗(yàn)證和修改假設(shè)，有利于合作學(xué)習(xí)、自主探究的實(shí)施。
　　
　　3 傳感器在高中物理新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用程序和案例
　　
　　3．1 主要程序
　　3．2 應(yīng)用案例
　　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（人教版高中物理必修1第四章第2節(jié)）
　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模褐烙每刂谱兞糠椒▉硌芯考铀俣扰c力和質(zhì)量的關(guān)系；利用位移傳感器和計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量，利用Excel分別得到加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖像，尋求物理規(guī)律。
　　實(shí)驗(yàn)器材：位移傳感器、軌道小車（質(zhì)量181g）、“朗威DISLab”數(shù)據(jù)采集器、教材專用軟件、計(jì)算機(jī)；塑料桶（12g），專用砝碼5g、10g、20g若干；專用鐵片若干（50g）。
　　實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)。將小車與測(cè)試加速度的運(yùn)動(dòng)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(tǒng)，快速地求出加速度a。小車的質(zhì)量和力的大小可以通過增減砝碼來改變。
　　實(shí)驗(yàn)步驟：
　　（1）將位移傳感器接收器固定在軌道的一端，連接到數(shù)據(jù)采集器，將位移傳感器發(fā)射器固定在小車上。
　?。?）進(jìn)行平衡摩擦力調(diào)整：運(yùn)行單機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，打開教材專用軟件“從v-t圖求加速度”系統(tǒng)。當(dāng)?shù)玫剿俣葓D像成一條直線、加速度接近零，平衡摩擦力的調(diào)整完成。
　　（3）研究力與加速度的關(guān)系。
　?、賹⑿≤嚪诺杰壍郎?，打開位移傳感器發(fā)射電源開關(guān)；點(diǎn)擊“開始按鈕”釋放小車，使小車在砝碼的拉動(dòng)下開始運(yùn)動(dòng)。待小車運(yùn)動(dòng)到軌道另一端，點(diǎn)擊“關(guān)閉按鈕”，結(jié)束第一次數(shù)據(jù)采集。
　?、趨⒄昭芯縿蜃兯僦本€運(yùn)動(dòng)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(tǒng)自動(dòng)求出a。
　　③保持小車質(zhì)量不變，逐次增加砝碼的質(zhì)量使其對(duì)小車施加的拉力逐步增大，重復(fù)步驟①②。
　?、軐?shí)驗(yàn)的多次采集的數(shù)據(jù)記錄如表1。
　?。?）研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。
　　操作方法同研究力與加速度。提供拉車的砝碼質(zhì)量12g一定，小車連同位移傳感器、固定螺絲等總質(zhì)量約為181g。改變運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量的鐵片質(zhì)量50g。實(shí)驗(yàn)的多次采集的數(shù)據(jù)如表2。
　?。?）在Excel中輸入數(shù)據(jù)，選中需要作圖的數(shù)據(jù)區(qū)域，單擊“插入”菜單中的“圖表”。
　?。?）在跳出的對(duì)話框中選中“XY散點(diǎn)圖”，單擊“下一步”進(jìn)入“步驟二”，再單擊“下一步”進(jìn)入“步驟三”。在“步驟三”中完成對(duì)圖表標(biāo)題，坐標(biāo)軸的標(biāo)題等的設(shè)置，單擊“完成”就生成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布圖。
　　
　?。?）選中圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在右鍵菜單中選擇“添加趨勢(shì)線”，在對(duì)話框中的“類型”項(xiàng)選中“線性”，在“選項(xiàng)”項(xiàng)中勾選“顯示公式”和“顯示R2”兩項(xiàng)，單擊“確定”按鈕。
　?。?）畫好a與F圖線（圖3）后，發(fā)現(xiàn)在添加趨勢(shì)線后如果用“線性”，R2值接近1。畫好a與m圖線后，發(fā)現(xiàn)在添加趨勢(shì)線后如果仍然用“線性”，R2的值偏離1較大，而且很多點(diǎn)也不在直線上。這說明“a-m”的關(guān)系不一定是線性的，可以在圖線上右擊選中“趨勢(shì)線格式”，打開對(duì)話框“類型”，改選“乘冪”后“確定”，發(fā)現(xiàn)圖線變成了曲線，方程變?yōu)榱藘绾瘮?shù)形式，指數(shù)接近-1，R2的值非常接近1，因此可以確定a與m成反比關(guān)系（圖4）。我們?cè)佼嫵觥癮-1/m”的圖線（圖5），進(jìn)一步確定a與m的關(guān)系。
　　可以得出：質(zhì)量一定，加速度與力成正比關(guān)系；力一定，加速度與質(zhì)量成反比關(guān)系。
　　（簡(jiǎn)評(píng)：傳感器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于能精確、實(shí)時(shí)地測(cè)量并記錄物理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)與形的結(jié)合，物與圖的結(jié)合。）
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比。
　　應(yīng)用拓展：隨后，讓學(xué)生分析直線與原點(diǎn)之間存在距離的原因，引出實(shí)驗(yàn)誤差的概念，并尋找誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)而研究減小誤差的方法。
　　
　　4 案例反思
　　
　　4．1 傳感器的合理應(yīng)用提高了教學(xué)的有效性
　　在本案例中，如果采用教材中所提供的實(shí)驗(yàn)方案（用夾子夾住小車后面的繩子控制小車的運(yùn)動(dòng)），雖然實(shí)驗(yàn)思想方法很好，但是操作困難、實(shí)驗(yàn)誤差大，甚至個(gè)別學(xué)生很努力也得不到定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)素養(yǎng)。根據(jù)本校的實(shí)際情況，筆者改用位移傳感器和計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，記錄運(yùn)動(dòng)小車通過兩個(gè)位置的速度和時(shí)間間隔，利用a=vt-v0t，快速地求出加速度a。利用測(cè)出的多組精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生能像真實(shí)的科學(xué)研究那樣分析處理這些數(shù)據(jù)，突破了教學(xué)難點(diǎn)，起到了事半功倍的效果。而且實(shí)驗(yàn)過程格外緊湊，中間干擾明顯減少。從提出探究課題、制訂實(shí)驗(yàn)方案、采集數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論僅需1課時(shí)，不僅增加了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)間，而且提高了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性。
　　4．2 傳感器的合理應(yīng)用體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與課程的有機(jī)整合
　　傳感器應(yīng)用于高中物