基于傳感器的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的探索與實(shí)踐

李俊

摘? ?要：傳感器響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能夠?qū)ξ锢斫虒W(xué)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展。在傳感器演示實(shí)驗(yàn)中，注意傳感器這一教學(xué)素材的呈現(xiàn)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器，體會(huì)傳感器的工作方式，增強(qiáng)學(xué)生的物理經(jīng)歷，更有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：傳感器;演示實(shí)驗(yàn);拱形橋

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）4-0025-3

1? ? 基于傳感器的教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)

傳感器是借助檢測(cè)原件（敏感原件）接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)化成另一種形式的信息的裝置。它獲取的可以是物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)化后的信息也有各種形式，目前大多數(shù)傳感器將獲得的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[1] 。傳感器技術(shù)擁有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，把傳感器技術(shù)與物理教學(xué)相結(jié)合，合理應(yīng)用，對(duì)物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)將有很好的幫助和拓展作用。

傳感器技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，由于其自身的技術(shù)條件，相比于傳統(tǒng)物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，具有明顯的特點(diǎn)：

1.響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，靈敏度高，測(cè)量范圍廣。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量工具，例如彈簧測(cè)力計(jì)、磁電式電流表、多用電表、刻度尺等實(shí)驗(yàn)器材，響應(yīng)速度相對(duì)較慢，讀數(shù)過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)。相反，基于傳感器的演示實(shí)驗(yàn)采用傳感器技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，響應(yīng)速度更快，測(cè)量精度可以隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷提升，擁有更高的靈敏度，測(cè)量的范圍也不斷拓展，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材所不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和手段相結(jié)合，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)科學(xué)的喜愛(ài)，有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

3.實(shí)驗(yàn)原理體現(xiàn)得不夠明顯。在傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)中，教師使用的是傳統(tǒng)測(cè)量工具，傳統(tǒng)工具與學(xué)生實(shí)際生活接近，很容易被學(xué)生的思維所接受。在傳感器演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)傳感器缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，所能夠觀察到的是電腦上反映出來(lái)的數(shù)據(jù)，如果在教學(xué)素材的呈現(xiàn)上沒(méi)有與學(xué)生的思維相匹配，容易在教學(xué)過(guò)程中導(dǎo)致學(xué)生缺乏物理經(jīng)歷，學(xué)生會(huì)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感到困惑。

針對(duì)傳感器演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，把傳感器與傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，綜合兩者的特長(zhǎng)，利用傳感器響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，能夠完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材所不能完成的實(shí)驗(yàn)。例如，在作用力和反作用力的課堂教學(xué)中，演示在變速運(yùn)動(dòng)中作用力和反作用力等大反向的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的彈簧測(cè)力計(jì)由于響應(yīng)速度慢，使其在快速移動(dòng)中，不能進(jìn)行讀數(shù)，因而無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)，必須由力學(xué)傳感器替代才能完成實(shí)驗(yàn)。因此，我們把傳感器演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理課堂教學(xué)，能對(duì)物理課堂教學(xué)進(jìn)行有效補(bǔ)充和拓展。但是，傳感器演示實(shí)驗(yàn)也存在著實(shí)驗(yàn)原理體現(xiàn)得不夠明顯的問(wèn)題，如果教學(xué)素材處理不當(dāng)，容易導(dǎo)致學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中難以體會(huì)物理經(jīng)歷。這也就要求教師在利用傳感器進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，注重傳感器這一物理素材的呈現(xiàn)，對(duì)傳感器的特性和使用進(jìn)行足夠的鋪墊，通過(guò)對(duì)傳感器的展示和操作，讓學(xué)生建立對(duì)傳感器的基本認(rèn)知，初步體會(huì)傳感器的工作方式，才能進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

2? ? 基于力學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)的拱形橋教學(xué)設(shè)計(jì)

拱形橋是高中物理學(xué)習(xí)中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，也是物理學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活相結(jié)合的重要一環(huán)，體現(xiàn)出物理教學(xué)中“物理是有趣的，物理是有用的”的教學(xué)宗旨。拱形橋作為“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”的一種運(yùn)動(dòng)形式，把物理學(xué)原理和生活實(shí)際相結(jié)合，把學(xué)科知識(shí)延伸到課外生活，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)原理解決生活實(shí)際問(wèn)題的能力。

2.1? ? 教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)目標(biāo)：（1）進(jìn)一步加深對(duì)向心力的認(rèn)識(shí)，會(huì)在實(shí)際問(wèn)題中分析向心力的來(lái)源;（2）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立觀察、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2.能力目標(biāo)：學(xué)會(huì)分析拱形橋等生活中圓周運(yùn)動(dòng)的方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，并掌握用牛頓第二定律分析向心力的方法。

3.情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：通過(guò)向心力在具體問(wèn)題中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生將物理知識(shí)應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實(shí)踐的意識(shí)。

2.2? ? 設(shè)計(jì)構(gòu)思

在拱形橋的傳統(tǒng)教學(xué)中，物體經(jīng)過(guò)拱形橋時(shí)，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量工具存在響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，所以對(duì)于在拱形橋上的物體，不能直接測(cè)量其對(duì)拱形橋的壓力，只能通過(guò)公式進(jìn)行推導(dǎo)分析，使得教學(xué)結(jié)論的推導(dǎo)比較抽象，學(xué)生對(duì)教學(xué)結(jié)論難以理解。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，我們可以引入力學(xué)傳感器進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。將力學(xué)傳感器應(yīng)用于演示實(shí)驗(yàn)，其響應(yīng)速度足夠快，能夠滿足演示實(shí)驗(yàn)的測(cè)量需求。針對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)不夠直觀的問(wèn)題，需要在教學(xué)過(guò)程中對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行足夠的鋪墊，幫助學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)力學(xué)傳感器，在這個(gè)基礎(chǔ)上完成拱形橋的教學(xué)過(guò)程。

2.3? ? 教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)場(chǎng)境，提出問(wèn)題

展示生活中拱形橋的圖片，請(qǐng)學(xué)生回想生活中橋梁的形狀，啟發(fā)學(xué)生思考，為什么我們生活中的橋梁要設(shè)計(jì)成拱形，而不是反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)成凹形？

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

小球經(jīng)過(guò)凹形軌道的傳感器演示實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示）

我們采用GQY數(shù)字實(shí)驗(yàn)室提供的WL-0008力學(xué)傳感器和DAS-5104D數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以凹形軌道代表凹形橋，在其底部安裝力學(xué)傳感器，測(cè)量小鋼球經(jīng)過(guò)底部時(shí)產(chǎn)生的壓力大小。

第一次實(shí)驗(yàn)，不放置小鋼球，力學(xué)傳感器讀數(shù)為0。

第二次實(shí)驗(yàn)，把小鋼球靜置在凹形軌道底部，用力學(xué)傳感器進(jìn)行讀數(shù)，壓力大小為0.456 N，此時(shí)的讀數(shù)等于小球自身的重力。（第一、二次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示）。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：在未放置小球時(shí)，力學(xué)傳感器的讀數(shù)在0 N左右;放置小球后，力學(xué)傳感器的讀數(shù)顯示為0.45 N左右。我們用小球模擬汽車經(jīng)過(guò)凹形橋底部的場(chǎng)景，當(dāng)小球靜置于凹形軌道底部時(shí)，它給軌道的壓力等于自身的重力。由于傳感器測(cè)量精度較高，在實(shí)驗(yàn)中，器材輕微擾動(dòng)所造成的力的變化也會(huì)顯示出來(lái)，所以力學(xué)傳感器的讀數(shù)一直處于小范圍的變化狀態(tài)中。

通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生初步感知力學(xué)傳感器，并且從力學(xué)傳感器的圖像和讀數(shù)體會(huì)力學(xué)傳感器對(duì)力的測(cè)量和讀數(shù)方式：可以直接在屏幕上進(jìn)行讀數(shù)，并可以通過(guò)圖像感知壓力大小的變化，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)力學(xué)傳感器，為接下來(lái)的演示實(shí)驗(yàn)做鋪墊。

第三次實(shí)驗(yàn)，控制小球從軌道上某一高度處滾落下來(lái)，經(jīng)過(guò)底部時(shí)，產(chǎn)生的壓力大于自身的重力，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論：小球經(jīng)過(guò)凹形軌道底部時(shí)所產(chǎn)生的壓力大于自身的重力。（第三次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示）

實(shí)驗(yàn)圖像表明：小球第一次沿凹形軌道下滑到最低點(diǎn)時(shí)，小球?qū)壍赖膲毫_(dá)到了1.50 N，即圖像中最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，壓力大于自身重力。利用傳感器響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，我們測(cè)出了小球經(jīng)過(guò)凹形軌道最低點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力。

第四次實(shí)驗(yàn)，提高釋放小球的高度，小球從軌道上滾落下來(lái)，產(chǎn)生的壓力大于第三次實(shí)驗(yàn)中的壓力。由實(shí)驗(yàn)圖像得到結(jié)論：經(jīng)過(guò)凹形軌道底部時(shí)，小球的速度越大，產(chǎn)生的壓力越大。（第四次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示）

通過(guò)第一次實(shí)驗(yàn)和第二次實(shí)驗(yàn)，對(duì)力學(xué)傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)力學(xué)傳感器，為第三次實(shí)驗(yàn)和第四次實(shí)驗(yàn)做了鋪墊，增強(qiáng)了學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中的感受和體驗(yàn)，使學(xué)生更加容易理解所呈現(xiàn)出來(lái)的物理現(xiàn)象和結(jié)論。

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到結(jié)論：小球經(jīng)過(guò)凹形軌道的時(shí)候，產(chǎn)生的壓力會(huì)大于自身的重力，而且速度越大所產(chǎn)生的壓力越大，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？

3.情境分析

研究車輛經(jīng)過(guò)凹形橋時(shí)的場(chǎng)景，并進(jìn)行受力分析（如圖6所示）。

經(jīng)受力分析，可得：

結(jié)論： ，車輛給凹形橋的壓力與凹形橋給車輛的支持力是一對(duì)作用力和反作用力，所以車輛經(jīng)過(guò)凹形橋底部時(shí)產(chǎn)生的壓力大于自身的重力，而且根據(jù)公式，v越大，壓力越大。

如果我們把凹形橋改成拱形橋又會(huì)出現(xiàn)什么樣的效果呢？對(duì)車輛經(jīng)過(guò)拱形橋的場(chǎng)景進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)受力分析（如圖7所示），得：

由公式得到，車輛經(jīng)過(guò)拱形橋時(shí)，所需要的支持力小于自身的重力，車輛給拱形橋的壓力與拱形橋給車輛的支持力是一對(duì)作用力和反作用力，所以車輛給拱形橋的壓力小于自身的重力，而且當(dāng)速度越大時(shí)，車輛對(duì)橋面產(chǎn)生的壓力越小。

3? ? 教學(xué)反思

在物理教學(xué)中使用傳感器進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，利用傳感器響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，能夠完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材所不能完成的實(shí)驗(yàn)，對(duì)物理的課堂教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充和拓展。但是，針對(duì)傳感器自身的技術(shù)特點(diǎn)，要揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮其響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的同時(shí)，也需要克服實(shí)驗(yàn)原理體現(xiàn)得不明顯的問(wèn)題。在演示實(shí)驗(yàn)中，對(duì)傳感器進(jìn)行鋪墊，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器，初步理解傳感器的工作方式，更好地體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，有利于學(xué)生在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中接受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭慶龍，王林志，聶妍.傳感器在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，16（3）：104-105.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2018-12-14

作者簡(jiǎn)介：李俊（1978-），男，中學(xué)一級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。