张慧儿
摘要：随着科技的不断进步，现代教育技术有了长足发展。由计算机、物理数据采集仪、传感器、应用软件等组成的数字化信息系统（DIS）是一个完整的现代教育技术平台。利用它多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的数据采集，可以解决传统实验难以解决的问题，完成常规仪器难以完成的实验，难以验证的公式、定律，提高了测量精度和教学效果。本文就传感器在物理实验教学中的应用展开，以验证机械能守恒定律为例说明DIS实验在中学物理实验教学中的辅助功能。
关键词：传感器;验证机械能守恒;高考试题
高中物理新课程标准中明确要求：高中阶段的物理课应该更加关注学生对科学探究的理解，提高在科学探究过程中的学习质量和科学探究的能力。基于DIS的探究实验是学生主动探究的学习方式，让学生通过使用不同类型的传感器收集、分析和处理数字化信息来体验知识的产生和创造过程，进而学会学习，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力。
一、传统实验特点
在高中物理实验室里，这个实验主要使用的仪器是打点计时器配合纸带重物完成，实验原理比较简单，如何让学生既明白实验原理及处理数据的方法，又在课堂上得出多组数据让实验结果更有说服力呢？传统教学有几种处理方式：（1）课堂上先由理论得出结论（有的直接得出结论），并学会运用定律，老师再另找一个课时用实验验证重物在自由下落过程中的机械能守恒。这种方法体现不出实验出真理的学科特点。（2）在课堂上给学生一段时间进行实验探究，得出结果后再用理论进行验证。这种方法看起来非常完美，但在操作过程中时间拖拉很严重，麻烦的是实验数据的处理，实验操作部分不到一分钟（重物下落本身很快），但实验后的数据处理却需要至少十分钟，对于不能使用计算器计算能力不强又容易出错的学生来说，实验结果的得出既慢又不准确，如果需要多次测量，多次反复计算得出结论在课堂上是不符合实际的，得不出正确的结果。
二、利用DIS实验进行辅助教学
如果我们利用DIS实验进行这个实验，就能克服数据处理的困难。我们根据教学实验的要求，组合成适合自己教学需要的实验装置，对“验证机械能守恒定律”一课中的探究实验，利用DIS实验系统对软件重组了装置，真正充分利用了DIS实验的快捷、方便，达到提高课堂教学效率、调动学生探究实验的热情的目的。具体方法有：
1、利用自由落体验证机械能守恒定律。
实验器材：光电门传感器（2个），长金属板轨道，细长形圆柱体重物1个。
实验步骤：（1）按上图把仪器装备好。（2）让重物从静止开始下落，竖直地经过两个光电门传感器。（3）事先在计算机里的相应软件上设计好实验公式，由计算机对实验数据进行处理。（4）重复前面步骤进行多次测量。（5）根据处理结果进行分析，得出实验结论。
实验优点：这个实验仪器很简单，操作不复杂，最大的特点是借助计算机进行数据整合处理，非常方便，避免人工处理的不准确性，省时省力，把学生的注意力集中在实验过程及结果分析方面，学生兴致非常高，可以进行无数次的验证，这一方法能让学生把对数学处理的恐慌降到最低，激发学习物理的热情。
注意事项：需要细心。如重物下落时务必保持竖直，否则容易撞到光电门。再者，重物选择圆柱体，在下落时要平动、不倾斜。否则容易使光电门测到的遮光长度比直径长，那么测得的瞬时速度就会偏大，增加的动能也偏大，这就是表格中会出现增加的动能比减少的重力势能大的原因。在传统实验中，这是不可能出现的。
2、利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律。
实验的简易示意图如下，当有不透光的物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间.所用的光电门传感器可测得最短时间为0.01 ms.将挡光效果好、宽度为d=3.8×10-3 m的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门.某次测得各段黑色磁带通过光电门的时间Δti与图中所示的高度差Δhi，计算并比较1点与各点之间的势能变化大小 MgΔhi 与动能变化大小ΔEk，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示.（取g=9.8 m/s2，注：表格中M为直尺质量）
3、利用摆锤的下摆验证机械能守恒定律。
实验方法：用如下图所示的装置）
让摆锤自然下垂，观察摆锤的质心是否与标尺盘的圆弧边缘处于同一水平线，否则要对摆锤的系线进行伸缩调整。将光电门置于标尺盘的D点，此时光电门的接收孔应当与标尺盘的圆弧边缘处于同一水平线，将摆锤置于A点并释放，通过D点的速度记录在表格中。光电门置于B点，其接收孔位于B点的延长线上。测量B点的速度，点击“数据计算”，得到各点的数据。将光电门先后置于D、C、B点，分别测量计算各点的势能、动能和机械能。计算并比较钢球在释放点和D点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。
释放时注意手法要轻，不要让摆锤释放器发生移动。提高摆锤的释放高度，进一步验证动能、势能的关系。各点的势能和动能可以转化，但总的机械能不变。
理想的实验结果：机械能基本一致。
4、利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图丙所示，从与光电门连接的数字计时器（图中未画出）上读出挡光条通过光电门1和光电门2的时间Δt1、Δt2，用天平测量出滑块和挡光条的总质量M及托盘和砝码的总质量m，用游标卡尺测量出挡光条宽度l，从导轨标尺上读出两光电门之间的距离L，则滑块通过光电门1、2时系统的总动能分别为Ek1=12（m+M）·lΔt12，Ek2=12（m+M）·lΔt22，而系统重力势能的减少量ΔEp=mgL，如果ΔEp=Ek2-Ek1，则验证了机械能守恒定律.
三、总结与反思
在实际纸带的计算中测量数据都是随机的，计算量较大，如果用计算机和传感器这个工具，会使学生的数据运算量大大减小，也使数据比较变得容易，实验过程和结果的显示上形象直观，有助于学生快速、准确地理解物理概念，也有更多的时间来对实验进行思考和改进。这是物理与信息技术的结合。应用计算机和传感器处理数据是新课标教材中体现的一个倾向，体现新课程的教育教学理念，也体现了DIS在物理实验教学中的辅助功能。DIS将数字化信息系统与高中物理实验教学进行整合，克服传统实验仪器的各种弊端，成功开启物理实验教学的数字化时代，实现了数字化 信息系统与传统物理实验的有效整合与超越。在教学过程中，我们应该充分发挥信息化实验的教学功能，将DIS实验教学系统运用到中学物理实验教学中，增强学生的探究兴趣，提高学生的信息化实验探究能力，构筑信息化、高效化的物理课堂。
参考文献
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[2]孟小兵.DIS技术与传统实验的结合――机械能守恒定律的实验教学[J].物理教学探讨，2011，29（9）：53―55.
[3]張金权.DIS数字实验系统与物理探究教学整合的策略[J].物理教学探讨，2013，31（11）：56―59.
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