中学物理信息化实验的教学研究

1、 PAGE - 8 -中学物理实实验教学实实验论文论文题目 中学物理理信息化实实验的教学学研究 姓 名 李 浩 班 级 物理0881班 学 号 0818801222 同 组 人 陈陈 贺 实实验时间： 20111 年 4 月 14 日中学物理信信息化实验验的教学研研究李 浩（浙江师范范大学 数理与信信息工程学学院）【摘 要要】信息化化实验已经经越来越受受到教育工工作者的重重视，本文文举例阐述述了部分信信息化实验验的原理和和应用，并并分析了其其利与弊。【关键词】传感器 DIS 计算机 信息化1 引言言随着信息时时代的发展展，信息技技术与中学学物理实验验教学的结结合越来越越紧密，国国内各省市市高级

2、中学学陆续将信信息技术引引入物理实实验教学中中，提高中中学物理实实验的可视视化、具体体化、形象象化程度，使使得物理实实验教学课课堂更充实实，更活跃跃。各类传感器器的引入为为信息化实实验的教学学提供了工工具和优势势，使用传传感器，将将各类信号号转化成电电信号，输输入计算机机，使用计计算机进行行数据的处处理，增强强了实验的的精确度，节节省了实验验时间，学学生可以将将节省下来来的时间投投入更深层层次的学习习。2 传感感器传感器是一一种物理装装置或生物物器官，能能够探测、感受外界界的信号、物理条件件（如光、热、湿度度）或化学学组成（如如烟雾），并并将探知的的信息传递递给其他装装置或器官官。本文讨讨论的

3、主要要是作为物物理装置的的传感器。传感器是能能感受规定定的被测量量并按照一一定的规律律转换成可可用信号的的器件或装装置，通常常由敏感元元件和转换换元件组成成。传感器器是一种检检测装置，能能感受到被被测量的信信息，并能能将检测感感受到的信信息，按一一定规律变变换成为电电信号或其其他所需形形式的信息息输出，以以满足信息息的传输、处理、存存储、显示示、记录和和控制等要要求。它是是实现自动动检测和自自动控制的的首要环节节。 在利用信息息的过程中中，首先要要解决的就就是要获取取准确可靠靠的信息，而而传感器是是获取自然然和生产领领域中信息息的主要途途径与手段段。现代工工业生产尤尤其是自动动化生产过过程中，

4、要要用各种传传感器来监监视和控制制生产过程程中的各个个参数，使使设备工作作在正常状状态或最佳佳状态，并并使产品达达到最好的的质量。因因此可以说说，没有众众多的优良良的传感器器，现代化化生产也就就失去了基基础。 在基础学科科研究中，传传感器更具具有突出的的地位。现现代科学技技术的发展展，进入了了许多新领领域：例如如在宏观上上要观察上上千光年的的茫茫宇宙宙，微观上上要观察小小到厘米的的粒子世界界，纵向上上要观察长长达数十万万年的天体体演化，短短到秒的瞬瞬间反应。此外，还还出现了对对深化物质质认识、开开拓新能源源、新材料料等具有重重要作用的的各种极端端技术研究究，如超高高温、超低低温、超高高压、超高

5、高真空、超超强磁场、超弱磁砀砀等等。显显然，要获获取大量人人类感官无无法直接获获取的信息息，没有相相适应的传传感器是不不可能的。许多基础础科学研究究的障碍，首首先就在于于对象信息息的获取存存在困难，而而一些新机机理和高灵灵敏度的检检测传感器器的出现，往往往会导致致该领域内内的突破。一些传感感器的发展展，往往是是一些边缘缘学科开发发的先驱。 由此可见，传传感器技术术在发展经经济、推动动社会进步步方面的重重要作用，是是十分明显显的。世界界各国都十十分重视这这一领域的的发展。相相信不久的的将来，传传感器技术术将会出现现一个飞跃跃，达到与与其重要地地位相称的的新水平。3 传感感器的工作作原理传感器工作

6、作原理的是是应用物理理效应，诸诸如压电效效应，磁致致伸缩现象象，离化、极化、热热电、光电电、磁电等等效应。被被测信号量量的微小变变化都将转转换成电信信号。大多数传感感器是以物物理原理为为基础运作作的。向传传感器提供供15V电电源，激磁磁电路中的的晶体振荡荡器产生4400Hzz的方波，经经过TDAA20300功率放大大器即产生生交流激磁磁功率电源源，通过能能源环形变变压器T11从静止的的初级线圈圈传递至旋旋转的次级级线圈，得得到的交流流电源通过过轴上的整整流滤波电电路得到5V的直直流电源，该该电源做运运算放大器器AD8222的工作作电源；由由基准电源源AD5889与双运运放AD8822组成成的高

7、精度度稳压电源源产生4.5VV的精密直直流电源，该该电源既作作为电桥电电源，又作作为放大器器及V/FF转换器的的工作电源源。当弹性性轴受扭时时，应变桥桥检测得到到的mV级级的应变信信号通过仪仪表放大器器AD6220放大成成1.5V1V的强信号号，再通过过V/F转转换器LMM131变变换成频率率信号，通通过信号环环形变压器器T2从旋旋转的初级级线圈传递递至静止次次级线圈，再再经过外壳壳上的信号号处理电路路滤波、整整形即可得得到与弹性性轴承受的的扭矩成正正比的频率率信号，该该信号为TTTL电平平,既可提提供给专用用二次仪表表或频率计计显示也可可直接送计计算机处理理。由于该该旋转变压压器动静环之间间

8、只有零点点几毫米的的间隙，加加之传感器器轴上部分分都密封在在金属外壳壳之内，形形成有效的的屏蔽，因因此具有很很强的抗干干扰能力。有些传感感器既不能能划分到物物理类，也也不能划分分为化学类类。4 基本本传感器（1）热敏敏电阻热敏电阻是是最原始的的传感器之之一，是将将温度的变变化转化成成电阻的变变化的实验验元件，热热敏电阻对对温度敏感感，在不同的温温度下表现现出不同的的电阻值。热敏电阻的的主要特点点是： HYPERLINK /view/495141.htm 灵敏度较高高，其 HYPERLINK /view/139220.htm 电阻阻温度系数数要比金属属大10100倍倍以上，能能检测出110-6的

9、温度变变化； HYPERLINK /view/3843916.htm 工作温度度范围宽，常常温 HYPERLINK /view/481400.htm 器件适用于于-553155，高温器器件适用温温度高于3315（目前最最高可达到到20000），低温温器件适用用于-277355；体积小，能能够测量其其他温度计计无法测量量的空隙、腔体及生生物体内血血管的温度度；使用方便便，电阻值值可在0.11000k间任意选选择；易加工成成复杂的形形状，可大大批量生产产；稳定性好好、过载能能力强。实验中以如如右图所示示的热敏电电阻为例，测测量电阻在在不同温度度下的阻值值，探索热热敏电阻阻阻值和温度度的关系。实验将

10、热敏敏电阻放入入水中，改改变水温，用用万用表测测量热敏电电阻的阻值值，记录不不同温度下下组织的大大小，如表表1所示，阻阻值变化图图象见下图图。温度（CC）阻值（）温度（CC）阻值（）48232537.5346345259036377042296834.53960403166334330393292304850表1 不不同温度下下热敏电阻阻的阻值由数值和图图像可以看看出，此热热敏电阻是是跟温度负负相关的，及及温度越高高，电阻值值越低，这这是大部分分热敏电阻阻的特点，也也存在电阻阻值与温度度正相关，即即温度越高高，电阻值值越高的热热敏电阻。同时，热敏敏电阻也具具有一定的的弱点，比比如温度和和阻值没

11、有有严格的线线性关系，测测量温度的的范围比较较小，不适适合在高温温条件下使使用等，在在使用时应应该慎重选选择。（2）光敏敏电阻光敏电阻是是利用 HYPERLINK /view/19928.htm 半导导体的 HYPERLINK /view/14336.htm 光电效应应制成的一一种电阻值值随入射光光的强弱而而改变的电电阻器；入入射光强，电电阻减小，入入射光弱，电电阻增大。光敏电阻阻器一般用用于光的测测量、光的的控制和光光电转换（将将光的变化化转换为电电的变化）。常用的光敏敏电阻器硫硫化镉光敏敏电阻器，它它是由 HYPERLINK /view/50720.htm 半导导体材料制制成的。光光敏电阻

12、器器的阻值随随入射光线线（可见光光）的强弱弱变化而变变化，在黑黑暗条件下下，它的阻阻值（暗阻阻）可达1110MM欧，在强光条条件（1000LX）下下，它阻值值（亮阻）仅仅有几百至至数千 HYPERLINK /view/19469.htm 欧姆姆。光敏电电阻器对光光的敏感性性（即光谱谱特性）与与人眼对 HYPERLINK /view/68621.htm 可可见光（00.400.76）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 HYPERLINK /view/23342.htm 白炽灯泡（小电珠）光线或 HYPERLINK /view/176997.htm 自然

13、光线作控制光源，使设计大为简化。实验中以如如右图所示示的光敏电电阻为例，测测量电阻在在不同光照照下的阻值值，探索光光敏电阻阻阻值和温度度的关系。实验将光敏敏电阻放在在强、中、弱三种不不同的光照照下，用万万用表测量量光敏电阻阻的阻值，记记录不同温温度下组织织的大小。实验测得得，在正常常光照的情情况下，阻阻值为，在在中强光的的情况下，阻阻值为，在在黑暗的情情况下，其其阻值为。由此可见见，光敏电电阻的阻值值随着光照照条件的增增强而减小小。（3）继电电器如图所示的的继电器，是是热敏电阻阻的应用实实例之一，当当温度达到到一定程度度时，继电电器可以工工作，发出出响声。实实验测得的的工作温度度是63.3C，

14、这种种继电器可可以作为报报警器使用用，防止温温度过高对对用电器造造成不必要要的损坏。5 朗威威微机辅助助高级物理理实验系统统随着计算机机技术的发发展，计算算机辅助实实验越来越越受到研究究者的青睐睐。随着中中学物理实实验的要求求不断提高高，基于“传统仪器器+传感器器+计算机机”的实验模模式逐步走走进物理实实验教学的的课堂。计算机辅助助实验多是是传感器和和计算机的的结合，是是传感器的的应用。早早在上世纪纪七八十年年代，美国国就开始将将传感器技技术、计算算机技术等等应用于实实验仪器的的改进及教教学当中，我我国在这方方面的起步步相对较晚晚。目前在在数字化实实验仪器方方面，国际际上知名的的当数美国国PA

15、SCCO公司，其其产品涵盖盖了物理、化学等多多个学科。国内较为为知名的是是山东远大大网络多媒媒体股份有有限公司，其其推出较为为系统的朗朗威系列数数字化实验验仪器品牌牌。本文以以单摆测重重力加速度度的实验为为例，介绍绍朗威微机机辅助高级级物理实验验系统的工工作。实验目的的测量单摆的的振动周期期，验证其其等时性，测测量重力加加速度。实验器材材 朗威LLlonggwilllTM微机辅辅助高级中中学物理实实验系统、微机、单单摆等。操作步骤骤（1）取出出单摆传感感器，接入入数据采集集器的第一一输入口。（2）点击击“停止数据据采集”，避免记记录将调试试阶段的挡挡光数据。（3）进行行“计时设置置”，将通道道

16、一设置为为“时刻”下的“隔次”模式。（4）在单单摆摆球的的下面安装装10毫米米长的火柴柴杆或牙签签等，调整整摆长和光光电门的位位置，使火火柴杆可通通过单摆传传感器顺利利挡光，并并确保单摆摆传感器定定位在单摆摆运动的平平衡位置。（5）点击击“开始数据据采集”，将摆球球摆动。（6）让摆摆球下的小小木棒通过过单摆传感感器数十次次以上，点点击“停止数据据采集”。（7）打开开“数据分析析”表格，将将“变量一”命名为TT6，将实实验数据栏栏T1内的的数据全部部选中复制制，以次序序列的“第二次”所在行对对应的T66栏的单元元格为起点点，粘贴复复制的实验验数据。（8）将“表达式一一”命名为“周期”，并输入入公

17、式“T1-TT6”，即T11中记录的的摆球通过过传感器的的某一时刻刻减去前一一时刻，可可得出单摆摆的振动周周期，并通通过公式gg=42L/T2得出重力力加速度。点击“数据计算算”，得出实实验结果，如如下图所示示。6 单摆摆实验的对对比如右图所示示，传统的的单摆测重重力加速度度的实验也也是通过测测量单摆的的周期来计计算重力加加速度的，不不过传统的的实验多是是由实验者者本人通过过停表测量量单摆的周周期，由于于实验者的的因素而造造成的误差差难以避免免，所以，常常规实验中中，也采用用了光电门门这种传感感器，记下下单摆摆五五十下所用用的时间，进进而计算出出单摆的周周期T，则则重力加速速度。经过测量，单单摆摆动330次所用用的时间为为49.225s，则则单摆的周周期为，重重力加速度度。7 实验验总结与体体会信息化实验验是高中物物理实验教教学中的新新型产品，同同时也是高高中物理实实验的重要要组成部分分。利用信信息技术进进行物理实实验教学前前，需要了了解信息化化实验的原原理和所用用物理仪器器的功能，教教学时为学学生讲解信信息化实验验器具的原原理和使用用注意事项项。在进行行实验课的的过程中，由由于信息化化实验多是是集成性的的实验器具具，并且需需要借助计