巧用傳感器與數(shù)字顯示模塊做物理實(shí)驗(yàn)

尤仁才

摘? ?要：介紹幾個(gè)利用傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊所做的物理實(shí)驗(yàn)。利用位移傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊做微小形變實(shí)驗(yàn)，效果直觀;利用力傳感器、位移傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊驗(yàn)證胡克定律，實(shí)驗(yàn)誤差要比利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的小;利用力傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊來展現(xiàn)力的作用效果和高中物理的習(xí)題實(shí)驗(yàn)，可有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：傳感器;數(shù)據(jù)顯示模塊;物理實(shí)驗(yàn)

引言

傳感器的靈敏度、精確度和方便性是傳統(tǒng)儀器所不能及的。但是在教學(xué)中，要使用傳感器總要先安裝軟件，連接電腦，給實(shí)驗(yàn)操作帶來極大的不方便，所以傳感器的利用率很低。本文利用傳感器和數(shù)據(jù)顯示模塊，可以避免以上不足，有利于教師在課堂上做演示實(shí)驗(yàn)，且能及時(shí)、方便、精確地顯出數(shù)據(jù)，提高課堂效率，同時(shí)也能讓學(xué)生體會(huì)數(shù)字化所帶來的便利。下面介紹傳感器在高中物理教學(xué)中的一些應(yīng)用。

1? 巧用位移傳感器顯示物體的微小形變

數(shù)據(jù)顯示模塊接入傳感器，可顯示出相應(yīng)傳感器所表示物理量的數(shù)值。

將分體式位移傳感器置于水平桌面上，如圖1所示。把數(shù)據(jù)顯示模塊接入分體式位移傳感器的接收端。數(shù)據(jù)顯示模塊顯示的數(shù)據(jù)為位移傳感器發(fā)射端與接收端的距離。用手按壓桌面，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，表示位移傳感器的發(fā)射端與接收端間的距離發(fā)生變化，進(jìn)而可說明桌面發(fā)生形變。這種微小的形變，實(shí)際上也是通過電的放大顯示出來。

2? 巧用傳感器驗(yàn)證胡克定律[ 1 ]

實(shí)驗(yàn)裝置介紹：如圖2所示。

把帶有數(shù)據(jù)顯示模塊的力傳感器固定在軌道上，彈簧的一端接力傳感器，另一端與裝有位移傳感器發(fā)射端的小車相連接，把帶數(shù)據(jù)顯示模塊的位移傳感器接收端固定在另一小車上，則可顯示兩輛小車的距離。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）彈簧為原長(zhǎng)時(shí)，清零力傳感器的數(shù)據(jù)，把兩輛小車分開足夠大的距離，記下此時(shí)力傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù);

（2）保持裝有位移傳感器接收端的小車位置不變，拉動(dòng)裝有位移傳感器發(fā)射端的小車，彈簧被拉長(zhǎng)，記下力傳感器的數(shù)值和位移傳感器的數(shù)值，重復(fù)幾次，得到如表1數(shù)據(jù)。

該實(shí)驗(yàn)中彈簧形變量的大小為位移傳感器的數(shù)值變化量。由數(shù)據(jù)可知，相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置得到的數(shù)據(jù)更精確，誤差更小，且能獲得更多組數(shù)據(jù)，有利于通過畫圖處理數(shù)據(jù)。

3? 巧用傳感器顯示力的作用效果

力的傳感器受到拉力時(shí)，顯示的數(shù)據(jù)為正，受到壓力時(shí)則顯示的數(shù)據(jù)為負(fù)。

實(shí)驗(yàn)裝置介紹：如圖3所示。

安裝時(shí)兩傳感器要保證在同一豎直面，下方的力傳感器裝上鐵桿。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）不掛重物，按下兩個(gè)力傳感器的清零鍵，以消除傳感器自身的重力影響;

（2）繩子的一端與上方的力傳感器相連接，另一端掛重物，接著把繩子搭在下方力傳感器的桿上。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

上方的力傳感器數(shù)據(jù)為正值，下方力傳感器數(shù)據(jù)為負(fù)值。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明重物對(duì)繩子向下的拉力，可產(chǎn)生兩個(gè)力的作用效果：沿繩子方向斜向下的拉力和對(duì)桿的壓力。

4? 巧用傳感器展現(xiàn)力的動(dòng)態(tài)平衡習(xí)題中的物理實(shí)驗(yàn)

共點(diǎn)力作用下的動(dòng)態(tài)平衡問題是高中階段的重難點(diǎn)，有些題目重復(fù)講了很多遍，但是學(xué)生總是掌握不好。為了讓學(xué)生對(duì)該類題目有個(gè)更深刻的印象，可以通過實(shí)驗(yàn)將題目?jī)?nèi)容展示出來。下面以三道題為例。

【例題1】如圖4，用一水平向左的力F緩慢拉動(dòng)輕質(zhì)繩子的中點(diǎn)O點(diǎn)，設(shè)繩子0A段受到的拉力為T，以下選項(xiàng)正確的是（）[ 2 ]

A、T逐漸變大，F(xiàn)逐漸變大

B、T不變，F(xiàn)逐漸變大

C、T逐漸變大，F(xiàn)逐漸變小

D、T逐漸變小，F(xiàn)逐漸變小

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5，為了保證傳感器受到的力為沿著繩子方向，傳感器的接頭換為可轉(zhuǎn)動(dòng)的“連接頭”（傳感器的配件）。繩子的一端與重物相連接，一端接在力傳感器上，用另一個(gè)力傳感器緩慢地拉動(dòng)繩子中點(diǎn)，兩個(gè)傳感器都與數(shù)據(jù)顯示模塊相連接，則數(shù)據(jù)顯示模塊可顯示出拉力F和繩子OA受到拉力的大小變化情況。安裝完裝置后，要先把兩個(gè)力傳感的數(shù)值清零，以消除傳感器自身重力的影響。

【例題2】如圖6，一輕質(zhì)繩子與兩桿M、N相連接，連接點(diǎn)為a、b?，F(xiàn)將一衣架懸掛在繩子上，繩子不可伸長(zhǎng)且不計(jì)摩擦。當(dāng)衣架靜止時(shí)，以下四個(gè)選項(xiàng)正確的是（ ? ? ）（2017-2018年廣州樂而思中心高考物理重要考點(diǎn)練習(xí)卷）

A、將繩的固定點(diǎn)b向上移到b′，繩子的拉力變大

B、將兩桿的距離拉開，繩子的拉力不變

C、改變繩兩端的高度，繩子的拉力不變

D、改變懸掛物的質(zhì)量，懸掛點(diǎn)的位置不變

解析：設(shè)繩子的拉力為F，長(zhǎng)度為l，豎直桿M、N間的水平距離為d，繩子兩部分與豎直方向的夾角分別為α和β，對(duì)物體受力分析可知：α=β，sinα=，F(xiàn)=?？傻贸鼋Y(jié)論：①繩子長(zhǎng)度l和兩桿間的水平距離d一定時(shí)，則繩子的拉力不變，繩子與豎直方向的夾角不變;②繩子長(zhǎng)度l一定時(shí)，繩子的拉力與兩桿間的距離成正關(guān)系;③懸掛點(diǎn)的位置與懸掛物的質(zhì)量無關(guān)，繩子的拉力與懸掛物的質(zhì)量成正關(guān)系。

這道題學(xué)生經(jīng)常出錯(cuò)的原因是：結(jié)論與生活認(rèn)識(shí)發(fā)生沖突，所以通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)，可以幫助學(xué)生打破錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)裝置介紹：如圖7所示，把兩個(gè)力的傳感器分別固定在兩個(gè)鐵架臺(tái)上，且為同一水平面。

注意點(diǎn)：為了消除力傳感器自身重力的影響，則在未掛重物時(shí)，把兩個(gè)力的傳感器清零;實(shí)驗(yàn)過程中要確保兩個(gè)拉力在同一豎直面。

圖7為把繩子的右端向下移動(dòng)后，觀察繩子拉力的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：繩子的拉力數(shù)值不變。

圖8為增大水平距離d，觀察繩子拉力的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：繩子的拉力變大。

圖9為增大重物的質(zhì)量，觀察懸掛點(diǎn)位置和繩子拉力變化情況的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：懸掛點(diǎn)位置與重物的質(zhì)量無關(guān)，繩子的拉力與重物的質(zhì)量成正關(guān)系。

【例題3】如圖10，乙球受到一個(gè)水平向左的力F，甲球受到一個(gè)水平向右的力2F，則平衡時(shí)，該裝置的位置可能為（? ? ? ? ）

實(shí)驗(yàn)裝置介紹：如圖11所示。

為了方便操作可以把其中一個(gè)力傳感器固定在鐵架臺(tái)上，拉動(dòng)左邊的力傳感器，使得右邊力的傳感器數(shù)值為左邊數(shù)值的兩倍，觀察此時(shí)上下繩子的方向。教學(xué)中力的傳感器也可以不用固定在鐵架臺(tái)上，改變左右水平拉力的大小，引導(dǎo)學(xué)生觀察上下繩子的方向變化以及比較兩段繩子與豎直方向夾角的大小。

5? 總結(jié)

課堂上巧用傳感器做演示實(shí)驗(yàn)，可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，現(xiàn)象明顯，提高課堂效率。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，巧用傳感器做實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)塬@得更多組數(shù)據(jù)，讀數(shù)方便，誤差更小。教學(xué)中的一些習(xí)題實(shí)驗(yàn)，也可以巧妙利用傳感器來實(shí)現(xiàn)，從而有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，避免錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，為了跟隨時(shí)代的發(fā)展，體驗(yàn)科技的進(jìn)步，應(yīng)該盡可能的在課堂上利用傳感器。傳感器的優(yōu)勢(shì)是有些傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。結(jié)合數(shù)字顯示模塊，可避免傳感器使用需接電腦的不足，使用起來更加方便、高效。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐小林.關(guān)于“彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)[J].新高考（高一物理），2015（10）：60.

[2] 呂艷坤.核心素養(yǎng)視域下的共點(diǎn)力動(dòng)態(tài)平衡問題探析[J].物理教師，2019 （8）：87-89.