中学物理信息化实验教学研讨

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2、月 14 日中学物理信息化实验的教学研究李 浩（浙江师范大学 数理与信息工程学院）【摘 要】信息化实验已经越来越受到教育工作者的重视，本文举例阐述了部分信息化实验的原理和应用，并分析了其利与弊。【关键词】传感器 DIS 计算机 信息化1 引言随着信息时代的发展，信息技术与中学物理实验教学的结合越来越紧密，国内各省市高级中学陆续将信息技术引入物理实验教学中，提高中学物理实验的可视化、具体化、形象化程度，使得物理实验教学课堂更充实，更活跃。各类传感器的引入为信息化实验的教学提供了工具和优势，使用传感器，将各类信号转化成电信号，输入计算机，使用计算机进行数据的处理，增强了实验的精确度，节省了实验时间，学生可以将节省下来的时间投入更深层次的学习。2 传感器传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。本文讨论的主要是作为物理装置的传感器。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信

3、息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。 在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到厘米的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到秒的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内

4、的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。3 传感器的工作原理传感器工作原理的是应用物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。向传感器提供15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5V1V的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通

5、过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动-静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。4 基本传感器（1）热敏电阻热敏电阻是最原始的传感器之一，是将温度的变化转化成电阻的变化的实验元件，热敏电阻对温度敏感，在不同的温度下表现出不同的电阻值。热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。实验中以如右图所示的热敏电阻为例，测量电阻在不同温度

6、下的阻值，探索热敏电阻阻值和温度的关系。实验将热敏电阻放入水中，改变水温，用万用表测量热敏电阻的阻值，记录不同温度下组织的大小，如表1所示，阻值变化图象见下图。温度（C）阻值（）温度（C）阻值（）48232537.5346345259036377042296834.53960403166334330393292304850表1 不同温度下热敏电阻的阻值由数值和图像可以看出，此热敏电阻是跟温度负相关的，及温度越高，电阻值越低，这是大部分热敏电阻的特点，也存在电阻值与温度正相关，即温度越高，电阻值越高的热敏电阻。同时，热敏电阻也具有一定的弱点，比如温度和阻值没有严格的线性关系，测量温度的范围比较小，不适合在高温条件下使用等，在使用时应该慎重选择。（2）光敏电阻光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可

7、达110M欧，在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。实验中以如右图所示的光敏电阻为例，测量电阻在不同光照下的阻值，探索光敏电阻阻值和温度的关系。实验将光敏电阻放在强、中、弱三种不同的光照下，用万用表测量光敏电阻的阻值，记录不同温度下组织的大小。实验测得，在正常光照的情况下，阻值为，在中强光的情况下，阻值为，在黑暗的情况下，其阻值为。由此可见，光敏电阻的阻值随着光照条件的增强而减小。（3）继电器如图所示的继电器，是热敏电阻的应用实例之一，当温度达到一定程度时，继电器可以工作，发出响声。实验测得的工作温度是63.3C，这种继电器可以作为报警器使用，防止温度过高对用电器造成不必要的损坏。5 朗威微机辅助高级物理实验系统随着计算机技术的发展，计算机辅助实验越来越受到研究者的青睐。随着中学物理实验的要求不断提高，基于“传统仪器+传感器+计算机”的实验模式逐步走进物理实验

8、教学的课堂。计算机辅助实验多是传感器和计算机的结合，是传感器的应用。早在上世纪七八十年代，美国就开始将传感器技术、计算机技术等应用于实验仪器的改进及教学当中，我国在这方面的起步相对较晚。目前在数字化实验仪器方面，国际上知名的当数美国PASCO公司，其产品涵盖了物理、化学等多个学科。国内较为知名的是山东远大网络多媒体股份有限公司，其推出较为系统的朗威系列数字化实验仪器品牌。本文以单摆测重力加速度的实验为例，介绍朗威微机辅助高级物理实验系统的工作。实验目的测量单摆的振动周期，验证其等时性，测量重力加速度。实验器材 朗威LlongwillTM微机辅助高级中学物理实验系统、微机、单摆等。操作步骤（1）取出单摆传感器，接入数据采集器的第一输入口。（2）点击“停止数据采集”，避免记录将调试阶段的挡光数据。（3）进行“计时设置”，将通道一设置为“时刻”下的“隔次”模式。（4）在单摆摆球的下面安装10毫米长的火柴杆或牙签等，调整摆长和光电门的位置，使火柴杆可通过单摆传感器顺利挡光，并确保单摆传感器定位在单摆运动的平衡位置。（5）点击“开始数据采集”，将摆球摆动。（6）让摆球下的小木棒通过单摆传感器数十次以上，点击“停止数据采集”。（7）打开“数据分析”表格，将“变量一”命名为T6，将实验数据栏T1内的数据全部选中复制，以次序列的“第二次”所在行对应的T6栏的单元格为起点，粘贴复制的实验数据。（8）将“表达式一”命名为“周期”，并输入公式“T1-T6”，即T1中记录的摆球通过传感器的某一时刻减去前一时刻，可得出单摆的振动周期，并通过公式g=42L/T2得出重力加速度。点击“数据计算”，得出实验结果，如下图所示。6 单摆实验的对比如右图所示，传统的单摆测重力加速度的实验也是通过测量单摆的周期来计算重力加速度的，不过传统的实验多是由实验者本人通过停表测量单摆的周期，由于实验者的因素而造成的误差难以避免，所以，常规实验中，也采用了光电门这种传感器，记下单摆摆五十下所用的时间，进而计算出单摆的周期T，则重力加速度。经过测量，单摆摆动30次所用的时间为49.25s，则单摆的周期为，重力加速度。7 实验总结与体会信息化实验是高中物理实验教学中的新型产品，同时也是高中物理实验的重要组成部分。利

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