利用無線DIS創(chuàng)新演示固體微小形變

盧政 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006 )

1 引言

在人教版高中物理教材關(guān)于微小形變演示實(shí)驗(yàn)的裝置中，激光出射后經(jīng)過木桌上兩塊平面鏡的反射，最終在墻上形成光點(diǎn)[1]．基于光學(xué)放大原理，當(dāng)教師用力按壓桌面使其向內(nèi)凹陷，學(xué)生可以明顯觀察到墻上的光點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，從而間接感受到桌面的微小形變．該演示實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和操作較為困難，難以達(dá)到清晰、直觀的演示效果[2]．

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出：提高物理教學(xué)水平，發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，離不開信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)的融合[3]．為了響應(yīng)教育信息化的號(hào)召，促進(jìn)信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)的有機(jī)整合，豐富學(xué)生對(duì)于固體微小形變的感性認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效率，筆者運(yùn)用無線DIS裝置設(shè)計(jì)了3種演示固體微小形變的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，為物理課堂的教學(xué)提供一些參考．

2 無線數(shù)字化信息系統(tǒng)

DIS(Digital Information System)中文名稱為數(shù)字化信息系統(tǒng)，它是一個(gè)由傳感器獲取信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行精確化信息處理的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)[4]．近年來隨著研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將圖1中的無線發(fā)射模塊與傳感器相連，下載相應(yīng)實(shí)驗(yàn)軟件后，便可以實(shí)現(xiàn)“傳感器-移動(dòng)設(shè)備”的無線藍(lán)牙傳輸，在手機(jī)或iPad等移動(dòng)設(shè)備上實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)變化，并進(jìn)行圖像處理，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的方便程度，為教師演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)提供更多可能．

圖1 無線發(fā)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(yùn)用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、光照度傳感器及力傳感器設(shè)計(jì)了3種演示固體微小形變的實(shí)驗(yàn)方案，力求將固體的微小形變量轉(zhuǎn)化為可直接形象觀察的物理量變化，充分體現(xiàn)信息技術(shù)為物理教學(xué)帶來的便利，增添物理課堂的趣味性．

3 固體微小形變的創(chuàng)新演示設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)需要的主要器材如圖2所示：磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器、光照度傳感器、力傳感器、無線發(fā)射模塊、條形磁鐵、激光筆、0.5 cm厚硬木板、3 cm厚木質(zhì)底座、智能手機(jī)、鐵架臺(tái)．

圖2 實(shí)驗(yàn)器材

3.2 實(shí)驗(yàn)軟件準(zhǔn)備

在手機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備中搜索并下載軟件“Llongwill Labs”(賽靈格移動(dòng)式數(shù)字化科學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究系統(tǒng))，將無線發(fā)射模塊與傳感器相接后，打開軟件及啟用手機(jī)藍(lán)牙功能，掃描圖3中無線發(fā)射模塊背面的二維碼，傳感器所測得的數(shù)據(jù)即會(huì)在手機(jī)軟件的界面實(shí)時(shí)顯示，如圖4所示．該軟件的功能及使用方法與傳統(tǒng)的有線DIS通用軟件大致相同，其優(yōu)點(diǎn)是擺脫了傳輸線及電腦的束縛，在手機(jī)屏幕可以直接觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為教師和學(xué)生在不同空間中開展實(shí)驗(yàn)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(jī)屏幕的畫面投送到電腦，使全班學(xué)生能同步清晰觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線．

圖3 無線發(fā)射模塊二維碼

圖4 “Llongwill Labs”軟件界面

3.3 磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

運(yùn)用木質(zhì)底座把硬木板架起，將無線發(fā)射模塊與磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器相連接，啟動(dòng)發(fā)射模塊，打開手機(jī)軟件后掃描二維碼，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器的數(shù)據(jù)接通．將磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)開始前需對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器預(yù)熱約2 min．

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度測量裝置

傳感器預(yù)熱完畢后，在手機(jī)軟件上選擇“組合圖線”功能，以時(shí)間t為橫軸，磁感應(yīng)強(qiáng)度B為縱軸建立坐標(biāo)系，啟動(dòng)讀數(shù)．此時(shí)，可以觀測到手機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變化，讀數(shù)的絕對(duì)值即為測量點(diǎn)處平行于探管方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量．條形磁鐵北極指向探管，傳感器所測得磁感應(yīng)強(qiáng)度的初始值為-3.90 mT．雙手同時(shí)用力按壓探管兩側(cè)木板，手機(jī)屏幕顯示傳感器所測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增大，且變化值與按壓力度的大小有關(guān)，如圖6所示．實(shí)驗(yàn)圖像說明木板受力后發(fā)生微小形變，向內(nèi)凹陷使條形磁鐵與探管的相對(duì)位置產(chǎn)生變化，從而影響了磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的測量值變化越大．

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)時(shí)測量

3.4 光照度傳感器演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

圖7 光照度測量裝置

圖8 準(zhǔn)確接收激光

運(yùn)用手機(jī)軟件的“組合圖線”功能，以時(shí)間t為橫軸，光照度L為縱軸建立坐標(biāo)系，啟動(dòng)讀數(shù)后手機(jī)屏幕將顯示光照度傳感器每一時(shí)刻單位面積上接收到的光通量，其初始值約為1 339 Lux．此時(shí)用雙手同時(shí)按壓傳感器兩側(cè)木板，手機(jī)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(guān)．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(shí)驗(yàn)圖像說明木板受力后發(fā)生微小形變，木板向內(nèi)凹陷令激光無法對(duì)準(zhǔn)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(nèi)的光通量下降．

圖9 光照度實(shí)時(shí)測量

3.5 力傳感器演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將力傳感器與無線發(fā)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(jī)軟件后，啟用“組合圖線”功能，以時(shí)間t為橫軸，力F為縱軸建立坐標(biāo)系．在重力的作用下，靜止?fàn)顟B(tài)的力傳感器會(huì)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(shí)雙手用力按壓傳感器兩側(cè)木板，木板由于受力發(fā)生微小形變，所以給予力傳感器的支持力也同時(shí)發(fā)生了改變，從手機(jī)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(shù)變化越明顯，如圖11所示．

圖11 受力實(shí)時(shí)測量

4 基于無線DIS的教學(xué)思考

傳統(tǒng)的DIS裝置需要經(jīng)過數(shù)據(jù)線將傳感器所測得的物理量傳輸?shù)诫娔X，再做進(jìn)一步的處理．無線DIS裝置則打破了實(shí)驗(yàn)的空間界限，克服了有線裝置帶來的不便．課室已經(jīng)不再是唯一和必要的實(shí)驗(yàn)場所，教師和學(xué)生能夠以靈活多樣的方式在戶外開展實(shí)驗(yàn)探究．此外，軟件“Llongwill Labs”中更含有如積分、函數(shù)擬合、極值點(diǎn)求取等強(qiáng)大的圖像數(shù)據(jù)處理功能，這是常規(guī)手機(jī)傳感器軟件所不能比擬的，其圖像數(shù)據(jù)處理功能可以很好地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)分析和解決物理問題的能力，極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能．

與無線DIS裝置配套的手機(jī)軟件在使用方法上與傳統(tǒng)的電腦軟件相同，學(xué)生和教師在使用時(shí)的學(xué)習(xí)成本較低，可以很好地提高課堂教學(xué)效率．此外，教師可充分挖掘利用無線DIS裝置進(jìn)行課外探究實(shí)驗(yàn)的可能，或考慮借助無線DIS在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良和完善，引導(dǎo)學(xué)生合理發(fā)揮想象，探索范圍更廣闊，思想更具深度的物理問題．

5 總結(jié)

DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了多樣化的方法和思路，無線發(fā)射模塊使得DIS裝置操作靈活度更高、實(shí)驗(yàn)開展更加簡便、實(shí)驗(yàn)效率有所提高．本文針對(duì)固體微小形變的演示實(shí)驗(yàn)提出3項(xiàng)簡易而創(chuàng)新的方案，使原本不易觀察的微小形變量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為可直接測量的磁感應(yīng)強(qiáng)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(xué)，能充分提高學(xué)生利用信息技術(shù)解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題的意識(shí)和能力．