探索物理世界的新工具DISLab传感器

1、探索物理世界的新工具DISLab传感器DISLab的研究与开发 （02）“回顾近半个世纪的物理教育改革，最重要的成就是逐步确立了现代物理教学观，教学过程从强调论证知识的结论向获取知识的科学过程转化，从强调单纯积累知识向探求知识方向转变。重视科学过程和重视能力培养，构成了现代物理教育的基本原则。”（引自面向21世纪上海市中学物理学科教育改革行动纲领）而物理学中，概念的形成、规律的发现、理论的建立，都有赖于实验。因此，强调重视实验、改进实验，成为上海市二期课改对物理教学的基本要求。上海市中小学数字化实验系统研发中心立足课改教材的具体要求，研究开发出了数字化信息系统实验室（以下简称“DISLab”）

2、。DISLab不仅列入上海市中学物理课程标准，而且在全市53所课改试点学校进行了为期两年的实验验证。DISLab是由传感器数据采集器计算机（安装实验软件包）构成的新型实验系统。其中，DISLab系列传感器成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。1、仪器现状导致教改难行在二期课改的大背景下，传统中学仪器设备不仅很难满足学生发展的需要，有些还成为阻碍实验教学质量提高的瓶颈。其主要表现在于：多种物理量的测量手段欠缺声学、光学、运动学、磁学实验所要求的基本数据较难获取，靠虚拟或仿真加以替代，充其量也不过纸上谈兵；现有实验仪器普遍精度低、误差大、可重复性差，影响学

3、生对物理规律的深入理解； 实验仪器的读数仅靠人眼观察、手工记录，操作耗时费力，实验教学的效率低下。目前教材内容扩充、课时紧凑，更令教师对实验望而却步。要充分发挥物理实验的教育、教学功能，就必须寻求先进、可靠的测量手段，以突破实验仪器落后形成的瓶颈。“我们总不能凭借着卡文迪许时代的装备培养比尔·盖茨时代的新人吧？”面对实验仪器和课改要求的巨大反差，一位物理教师如是说。2、技术进步突破装备瓶颈 针对现有实验仪器和测量手段存在的“硬伤”，上海市中小学数字化实验系统研发中心借鉴了国际国内的成功经验，根据上海教育的实际需求，研发了多种DISLab物理量传感器（表1）。传感器名称量 程分 度对应

4、的中学实验仪表、器材电流传感器-1A+1A10mA电流表电压传感器-10V+10V10mV电压表微电流传感器-1A+1A/灵敏/镜式电流计温度传感器-10+1100.1温度计压强传感器0300kPa±0.1 kPa压强计力传感器±20N/±10N0.1N测力计磁感应强度传感器±15mT0.1mT无位移传感器0200cm1mm打点计时器光电门传感器/0.01mS数字毫秒计声波传感器100Hz1KHz1ms无光强传感器/1mm光度计G-M传感器40000cpm（最大计数率）1cpmG-M计数器表1 DISLab传感器一览传感器本身并不神秘，伴随着仿生学和自动

5、测控发展起来的传感器在我们的日常生活中已获得了广泛应用。但在中学物理实验教学过程中引入传感器，即使在国外也不过近几年的时间。与传统的实验仪器相比，传感器更具有品种多、技术新、功能强、发展快、性能可靠的优势。如DISLab力传感器、位移传感器、磁感强度传感器、光强度传感器就成功填补了传统仪器的测量空白；而DISLab光电门传感器可以将测量分档缩小到10微秒，比数字毫秒计高出了两个数量级；温度传感器的量程为-10+110度，分度达到了0.1度。更重要的是，传感器能够把物理量转化成标准电压信号，且具备信号实时上传的功能，与计算机的通讯方便。这保证了信息技术的优势得以充分发挥，不仅能实现对传统仪器的补

6、充和替代，更能够超越传统仪器的功能。3、开启中学物理实验教学的数字化时代DISLab传感器的引入，初步实现了物理实验教学过程中测量手段的数字化，与计算机结合后更实现了数据显示、分析、计算的智能化。DISLab传感器的应用，标志着中学物理实验上了一个新台阶。DISLab电学传感器图1 DISLab电学传感器DISLab电学传感器包括电流（图1左）、微电流（图1中）和电压传感器（图1右）。电流、微电流传感器的使用方法与电流表相同，使用时将传感器串联在电路中，电流自红色夹钳入，由黑色夹钳出。电压传感器的使用方法与电压表相同，使用时，将电压传感器并联在电路中，红色夹钳接高电位，黑色夹钳接低电位。图2

7、使用电学传感器描绘小灯泡伏安特性曲线电学传感器被广泛应用于中学物理实验。如等势线描绘、欧姆定律、导体的伏安特性、闭合电路欧姆定律、电源的电动势和内电阻、金属丝的电阻率、小灯泡的伏安特性曲线、电容充放电与串并联、整流与滤波、交流电观察、李萨如图形、RC移相电路、电感中的相差、楞次定律、自感现象、微弱磁通量变化时的感生电流、LC振荡、电磁振荡、发电机原理、二、三极管特性曲线、晶体管放大电路、简单逻辑电路、电磁波发送接收、电磁波屏蔽、复杂电路分析、电路故障分析、电桥实验、无穷型电路展示、恒压源与恒流源、双稳态电路、多谐振荡器等诸多实验，均可借助电学传感器来完成。另外，凭借DISLab系统依据传感器数

8、据实时绘出的“物理量-时间”图线，实验效果明显好于传统仪表，学生对物理规律的认识更加深入。DISLab温度传感器图3 DISLab温度传感器DISLab温度传感器（图3）内置铂电阻温敏器件，其分度小、精度高，量程跨越冰点和沸点，进一步拓展了实验范围。图4 使用温度传感器测量晶体熔点DISLab温度传感器配合其他实验器材，可进行摩擦作功使温度升高、液体蒸发温度下降、水的热传导和对流、晶体的溶解和凝固、热传导、电流热效应等实验。由于探针热容量小，灵敏度高，一些用普通温度计做得不理想的实验，如气体绝热压缩或膨胀时温度变化、红外线的热效应等，使用DISLab温度传感器之后均获得了令人满意的实验结果。D

9、ISLab压强传感器图5 DISLab压强传感器DISLab压强传感器（图5）采用精密压强敏感器件，所测量的是绝对压强值，无须通过大气压加以换算。将传感器前端引出的软管与实验装置连通，即可开始测量。图5左上方为配套的注射器。使用DISLab压强传感器可完成波意耳定律、查理定律、盖·吕萨克定律、液体内部压强、未饱和气压、饱和气压等实验。在一些涉及到气压变化的常规实验中，加上一个三通管，将传感器连接到实验用压力容器上，即可随时“监控”气压变化，在观察实验现象的同时揭示现象背后的本质。如马德堡半球、液体在低压时的沸腾、牛顿管等实验，均可则可使用DISLab压强传感器加以改造和优化，揭示气压

10、的变化在上述实验中的决定性作用。图6 压强传感器用于查理定律实验DISLab力传感器图7 DISLab力传感器 DISLab力传感器（图7）的核心器件为压力应变片。其结构为一开孔金属片，可将受力引发的微小形变转换成电压信号。力传感器的设计遵循了人机工程学的原则，独创手柄构造，便于学生在实验中持握，并能够与各种支架、力矩盘等器材紧密配合。DISLab力传感器可测量拉力与压力。图7左下方为配套的固定螺栓（用于传感器在教具上的固定）与大帽螺钉（压力测量专用）。图8 在力的合成实验中应用DISLab力传感器DISLab力传感器用途广泛，原来使用测力计进行的实验，几乎都可以转而使用DISLab力传感器完

11、成。如胡克定律、力的合成和分解、二力平衡、物体的惯性、牛顿第三定律、浮力研究、曲面桥的受力分析、圆周运动、简单机械等。与其他传感器配合，还可完成加速度与拉力的关系、碰撞中的动能、热膨胀(气体、液体)、安培力测量等多种实验。凭借DISLab系统的实时图线功能，还能解决长期以来传统器材的实验难题，如摩擦力的研究、超重与失重、碰撞等。DISLab磁感应强度传感器DISLab磁感应强度传感器（图9）的探测管顶端内置磁敏元件，用于测量图9 DISLab磁感应强度传感器由环境磁场变化引起的磁感应强度的相对变化，传感器测量的绝对值即为所测磁场的磁感应强度。另外，软件规定：当探测管指向被测磁场S极，即指向与磁

12、感线方向相同时，测量值呈正值图11 磁传感器测量值为负图10 磁传感器测量值为正（图10）；当探测管指向被测磁场N极，即指向与磁感线方向相反时，测量值呈负值（图11）。图12 与位移传感器组合，研究磁感强度与距离的关系作为一种新型测量手段，DISLab磁感强度传感器研发成功以后即成了研究性学习的理想工具。开发的实验包括条形磁铁的磁场、地球磁场、通电螺线管内部磁场、直导线周围磁场、磁滞回线等，均为借助传统器材难以完成的实验。DISLab磁感强度传感器不仅为中学物理实验开辟了一个新天地，而且成为了实施二期课改理念的典型载体。DISLab位移传感器图13 DISLab位移传感器目前国外的位移测量装置

13、，一般采用超声波回波定位的方式，实质上相当于一个小型声纳系统。这类装置既能发射超声波，又能接收物体反射的回波，并根据两者的时间差计算出运动物体的距离。为了滤除杂波，该类装置通常设置了测量盲区（一般为50cm），有的装置还要求被测物体有较大的独立反射面，存在精度较低、抗干扰能力差的缺点。DISLab位移传感器（图13）采用独创的收发分体式结构，图右为传感器的发射器，实验中与运动物体固定在一起，或直接充当运动物体，如振子、落体等；图左为传感器的接收器，实验中可固定在支架上，并与数据采集器相连。通过在发射器和接收器上设置的光速波发射与接收装置，两者可以通过光速波进行通讯，以确定超声波开始发射的时间t

14、1和超声波接收器接收到声波的时间t2。时间差（t2-t1）乘以声速就得到发射器和接收器之间的距离，也就是被测物体和接收器之间的距离。其工作原理如图14所示。 超声波 发射器超声波接收器光速波超声波被测物体图14 DISLab位移传感器工作原理图15 使用DISLab位移传感器研究匀速直线运动DISLab位移传感器提供了远优于打点计时器的位移测量方法，并填补了测量持续运动物体（弹簧振子等）位移的空白，由此开发出很多借助传统仪器无法完成的实验，并使很多传统实验获得了显著优化，如研究匀速直线运动、平均速度的测量、加速度的测量、测重力加速度、加速度与拉力的关系、加速度与质量的关系、简谐振动的相位、单摆

15、周期的测量、阻尼振动等。图16 光电门传感器DISLab光电门传感器光电门是运动学实验中测量速度、加速度的重要装备，已获得广泛应用。但传统的光电门仅与数字毫秒计等计时装置配套，数据读取、记录全由人工完成，再加上代入公式计算，实验操作颇为繁琐。DISLab光电门传感器（图16）采用灵敏光电器件，不仅测量精度高，实时性好，可借助计算机分析、计算和处理，实验效率大大提高。图17 使用光电门测量重力加速度由于DISLab光电门传感器的性能与传统光电门相比有了显著提高，所以可以较为理想地完成一系列经典实验，如单摆周期的测量、平均速度与瞬时速度、动量定理、动量守恒定律、机械能守恒定理（斜轨法）、机械能守恒

16、定理（落体法）、观察碰撞中的动能、重力加速度测量、单摆法测重力加速度、单摆的振动图像（单摆研究）、平抛运动等。DISLab声波传感器图19 使用DISLab声波传感器进行声干涉实验图18 DISLab声波传感器DISLab声波传感器（图18）以驻极体为声敏器件，可将声音转化成直观的波形信号，有利于学生理解声音现象的波动本质。DISLab声波传感器可与音叉等声源配套，完成声波的振动图像观察、振幅与响度的关系研究、频率与音调的关系研究、声音的共鸣、同频声波的合成（干涉）声干涉、异频声波的合成等实验。最新设计的声学教学专用软件，在计算机内部设置了“声库”学生可以在多重感官的刺激之下，交互式地学习、理

17、解波动和声音。这种全新的学习情境，不仅激发了学生对相关内容的学习积极性，同时也满足了个性化学习的要求。DISLab光强传感器图21 光的干涉衍射实验图20 DISLab光强传感器DISLab光强传感器（图20）采用新型光敏器件，光敏区域宽，测量精度高，每毫米测量点数达到12个，响应速度快。光敏器件上的特殊装置可抗背景亮度干扰，环境照度小于50Lx即可进行学生实验。与国外产品采用的机械式光强测量装置不同，DISLab光强传感器可以在一定范围内把光的分布以光强形式瞬时呈现。这使以前被视为光学实验“畏途”的光的干涉、衍射、偏振、光波长测量等实验从此成为“坦途”。DISLab G-M传感器图22 DI

18、SLab G-M传感器DISLab G-M传感器（图22）的敏感器件采用特种G-M计数管，可记录单位时间内由射线或带电粒子激发的脉冲数（计数率），以此测量辐射强度。DISLab辐射传感器具备每分钟记录40000个脉冲的功能。支持DISLab G-M传感器的教材专用软件完全基于实验要求，设有“历史记录”、“脉冲显示”、“声响提示”等特有功能。图23 放射源与距离关系实验使用DISLab G-M传感器可完成包括本底计数率（环境辐射强度）测量、放射源计数率（辐射强度）测量、计数率和放射源距离的关系研究、放射源的屏蔽研究、天然石材中的放射性测量等系列原子物理实验，拓展了实验探究的范围，激发了学生自主学习的热情。正如教育专家所说：最有效的学习环境就是传统与现代的有机结合。DISLab G-M传感器的研发成功为实施