用数字传感器优化高中物理实验的研究.docx
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用数字传感器优化高中物理实验的研究
用数字传感器优化高中物理实验的研究
摘要:
实验在高中物理教学中作用非常大,但传统的物理实验由于工具的限制,价值无法充分显现,而数字传感器的出现,把多媒体技术带入了高中物理课堂,让物理课堂焕然一新,精彩的物理实验不仅充分吸引了学生,而且把物理概念和规律展示的非常清楚;不仅提高了物理课堂的效率,而且培养了学生分析解决问题的能力,提升了学生的科学素养。
关键词:
数字传感器、实验、教学功能
物理学是一门以实验为基础的科学,搞好物理实验教学对激发学生的兴趣、提高学生的操作技能、培养学生的探究能力、养成科学的思维方式、形成严谨的科学态度和科学精神等都有极其重要的作用。
随着科技的发展,数字传感器技术已经很完善,而且逐渐走进了课堂,如图1所示。
数字化传感器具有以下特点:
1.强大的数据采集能力.利用计算机,既可以对传感器在快速变化的瞬态过程中获得的大量实验数据进行实时采集,也可长时间地跟踪收集极缓慢过程的各种实验数据.为理科教学中改造传统实验或开发新实验提供了有力的工具。
2.灵活的数据处理能力.通过计算机,可以对实验过程进行控制,对大量的数据进行各种复杂的、快速的处理,例如数据的转换、曲线的拟合、误差的计算等.为学生创造了一个科学探究和自主学习的环境。
3.为互动式教学创造了条件.实验室中将计算机联机,可以方便地实现数据共享,在教师的指导下对各组实验结果进行比较、探讨,为开放、互动性的课堂教学创造了条件。
在此文中,笔者结合平时的教学经验,粗浅的谈一谈对用数字传感器优化高中物理演示实验的一些建议。
一、提高演示实验的可视性
课堂中的许多实验是教师操作的演示实验,主要由教师在讲台上完成,那就一定要学生能看见教师在做些什么,实验现象如何;而传感器跟信息技术结合,都是通过大屏幕展示实验结果的,在可视性上具有较大的优势,比如说可把动态过程变静态以利于观测,把声音变成图片直观化,把微小量放大化等等;例如下面两个实例:
案例1:
“静摩擦力的研究”人教版《必修1》第三章第3节“摩擦力”中有一方法个关于静摩擦力的演示实验(如图2所示),试图通过“小纸团”的来标记静摩擦力随外力的变化;操作过的老师都知道这个实验不好控制,而且太小,学生看不见,同时又有一幅拉力变化的示意图(如图2),而实际上的图象是怎样的呢?
笔者利用传感器重做了这个实验:
(1)器材:
力传感器、采集器、木块、重物、电脑、大屏幕等;
(2)操作:
1)木块上方加一重物,用手握住力传感器水平缓慢用力拉木块(如图3),木块从不动到运动,得到图线1(如图4);
2)木块上放两块重物,用手握住力传感器水平缓慢用力拉木块(如图3),木块从不动到运动,得到图线2(如图5);
(3)结果分析:
分析图4、5可知:
1)最大静摩擦力大于滑动摩擦力2)最大静摩擦力与正压力有关;
(4)注意事项:
绳要与轨道平行,用力要缓,物体要运动后用力要均匀;
(5)优越性:
把现象放大,把过程记录,便于学生观察分析!
案例2:
“检测地磁场”我们都知道在地球表面空间存在地磁场,但由于场强比较弱,不易检测到,如果利用传感器就能收到很好的效果,现象明显放大化了,实施如下几步:
(1)器材:
有电流传感器、采集器、线圈、电脑等,如图所示;
(2)操作:
1)组装实验器材,如图6所示;
2)选择“指针”或“示波”显示方式;
3)转动线圈,观测图象,如图7、8所示;
(3)优越性:
能够简单的把地磁场通过感应电流反映出来,把微小量放大;
(4)拓展:
以同样大小的速率沿不同方向切割磁场,观测最大值,可判断出地磁场的大致方向。
二、弥补传统实验的片面性
由于工具的限制,许多物理实验无法进行或无法全面的开展,例如原子物理和物理光学中的部分实验,举例如下:
案例1:
“检测放射性”人教版《选修3-5》第十九章第3节“探测射线的方法”中有这样一个实验“用传感器测量放射性”;传统的实验是利用盖革计数器探测(如图9),通过声音来判断放射的强弱,不够形象,也不精确;笔者在课堂上利用了传感器操作了这个实验如下(由于课堂时间有限,可在课堂上适当演示):
(1)测量本底辐射:
周围不放置任何放射源,也可用传感器检测到一定的辐射,这叫本底辐射。
图10是杭州富阳地区的本底辐射的图表。
共测量16分钟,平均是36.4次/分钟。
(2)测量不同距离时“教学放射源”的辐射:
发现有“教学放射源”时,平均次数明显增加;其次,随着距离的增加,计数次数明显减少,说明增加与放射源的距离可有效避免辐射的危害。
(3)测量不同建材的放射性:
将各类建筑材料(如图11)移至距G-M传感器10mm处,每种建材的测量时间为10分钟,结果如下:
(某次结果如图12)
建材名称
黑色大理石
银白色大理石
黑白色花岗岩
咖啡色花岗岩
计数率(次/分)
38
32
43
35
(4)优越性:
直观,精彩,有吸引力且能深入挖掘实验的内涵,弥补了传统实验的不足!
案例2:
“偏振片”实验
1、实验目的:
通过光强传感器了解“自然光”和“偏振光”的区别,同时了解“偏振片”的特点。
2、实验原理:
太阳光,灯光都是自然光,在各方向上是强度相同的;而偏振光只是在某些方向上有振动。
如何观察到偏振现象呢?
可用“偏振片”!
用两张“偏振片”的平行旋转可观察光强度的变化,用“光强传感器”可显示光强的变化。
3、实验器材:
普通灯泡(220V,60W),灯具座,偏振片(两片),光强传感器,电脑等
4、实验步骤:
1)在光具座上固定“灯泡”和“光强传感器”(两者等高,相距大概50cm),如图13所示;
2)将“光强传感器”连接“数据采集器”并接上电脑,打开相应软件并开始采集数据;
3)在“灯泡”和“光强传感器”之间垂直地放置一张“偏振片1”并旋转;
4)再放置另一张“偏振片”(与上一张平行),这张固定不动;
5)观察分析光强的变化情况。
5、实验图象分析:
实验中得到的图象如图所示,图中横坐标表示时间(单位:
10-1s)纵坐标表示光强(单位:
Lux),结合实验过程可得到以下结果:
1)0-20s时间内,“灯泡”和“光强传感器”之间没有“偏振片”,光强稳定在780Lux;
2)20-35s时间内,“灯泡”和“光强传感器”之间有一张“偏振片1”,光强变为240Lux;“偏振片”旋转光强不变;
3)35-100s时间内,“灯泡”和“光强传感器”之间有两张“偏振片”,其中一张旋转,光强有变化;存在最大值160Lux和最小值90Lux;也定量说明了“偏振光”特性。
6、实验注意事项
1)实验应在暗室中进行,这样其他光线的干扰少,效果会更佳;
2)“灯泡”和“光强传感器”之间的距离要固定,否则光强值会有偏离;
3)“偏振片”应与“灯泡”和“光强传感器”连线垂直,两“偏振片”应平行,否则光强的最大值和最小值会变化。
三、提高物理实验的定量性
由于器材的限制或实验的精度不够,我们很多演示实验都停留在定性的层面;有了数字传感器,许多实验都可定量化了,而且非常精确。
案例1:
“向心力实验”
人教版《必修2》第六章第7节有实验“用圆椎摆粗略验证向心力的表达式”,如图15所示,如果试过的老师们都知道,这个实验是很难控制的,如果用传感器来完成的话,这个定量的结果就容易得到了!
介绍如下:
1、将光电门传感器和力传感器分别接入数据采集器,并按图16安装在向心力实验器上;实验器有关参数:
挡光杆直径0.005m、两砝码质量分别为0.014kg和0.028kg、挡光杆到轴心的距离0.14m;
2、将实验器调节为水平,对力传感器调零,把砝码(0.028kg)固定在离轴心0.12m处;
3、打开“计数表格”窗口,设计表格如下;
4、转动实验器的悬臂,记录数据如图17;(t1、F2为传感器采集的原始数据,其余为电脑公式处理的结果)
5、利用数据处理系统生成图象如图18(当然可先行绘制F2与ω图线,然后再绘F2与ω2图线来体现探究性)。
6、注意事项:
本实验较难得到很好的过原点的正比关系图线,操作的要点是
1)旋转要快,一般要能转20圈以上;
2)力传感器与挂钩的连接要适合,不可太紧,也不可太松,一般传感器不调零时示数为0.5N左右适宜;
3)沿转杆垂直的方向施加力(使其旋转)较好。
课前充分准备实验,课堂上认真操作,本实验的效果一定很好,把定性实验定量化是对传统实验的一种拓展,一种质的提升,正是因为有了数字传感器才做到了!
四、突出物理概念规律的形成性
《课程标准》中是非常强调概念规律的形成过程的,要在概念规律的形成过程中培养学生的各种能力和科学态度,而传统的演示实验在许多情况下,没法很好的展示这个过程;而数字传感器却能做到!
如以下案例:
案例1:
“动能定理”规律的形成“动能定理”是高中物理的一条非常重要的规律,但是传统的课堂教学更多的是从“牛顿运动定律”出发,从理论上推导出“动能定理”的表达式而缺乏更感性的实验让学生去体会“动能定理”的形成过程。
笔者在课堂教学中用数字传感器做了这个实验,效果很好,过程如下:
1、在小车上安装宽度为0.020m的挡光片,用天平称出小车的总质量为M=0.225kg及小钩码的质量m=0.005kg;
2、将两只光电门传感器接入数据采集器的第一、二通道,分别固定在专用轨道的同一侧(如图19所示;
3、平衡摩擦力:
轻推小车,比较两光电门测量的时间;通过抬高轨道一端的方法使两个时间相差不大就可以了;
4、在数据采集窗口下编辑公式如下表格;
5、开始实验:
让小车在钩码拉力的作用下开始下滑,测量数据,生成结果如下表;
t1
t2
v1=0.02/t1
v2=0.02/t2
m
W=m*9.8*0.3
ΔE=0.3335*((v1^2-(v2^2))/2
1
0.0636
0.1750
0.3145
0.1142
0.005
0.0147
0.0142
2
0.0640
0.1822
0.3125
0.1100
0.005
0.0147
0.0145
3
0.0620
0.1414
0.3232
0.1414
0.005
0.0147
0.0146
4
0.0577
0.1072
0.3472
0.1900
0.005
0.0147
0.0141
6、可改变两光电门的距离(例如L=0.5m)重新开始实验;
7、可改变小车的质量(增加砝码等)重新开始实验;
8、可改变拉力的大小(增加钩码质量)重新开始实验;
9、综合各种结果得到结论:
力所做的功等于物体动能的变化,即动能定理。
这个实验让学生进入到规律的形成过程中,充分体会了“动能定理”的形成过程,不仅对“动能定理”有了宝贵的体验,更在体验中理解了它,并提升了学习物理了乐趣。
案例2:
“安培力”概念的形成
1、实验目的:
一段导线通入电流,放入磁场中,要受到磁场力的的作用,这个力叫安培力;安培力的大小与什么因素有关呢?
本实验将做一探究。
2、实验原理:
一段电流垂直放入匀强磁场中,测出通入的电流和受到的安培力的大小,可探究它们的关系,原理如图20所示;另外,改变线框的长度,可探究安培力与导线长度关系;
3、实验器材:
安培力演示仪(含磁场和多匝矩形线圈),力传感器,电流传感器,电脑,稳压电源,滑线变阻器,电键,导线若干;
4、实验步骤:
按电路图连接实物,电键处于“打开”状态;导线框固定在磁场中(与磁场垂直),安装好电流传感器和力传感器;如图21所示;
1)电流传感器和力传感器先置零;
2)电源电压选定在10V左右,开关闭合后移动滑动变阻器,使电流从零开始增大;
3)从电脑上读取电流和对应的力,填入表格中;
4)改变电流的方向,重复3、4步骤;
5)改变磁场中导线的长度,如从L变为L
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- 关 键 词:
- 数字 传感器 优化 高中物理 实验 研究