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1、第一章 D 现代实验技术数字化信息系统（DIS）执教：华东师范大学附属东昌中学 蔡钢一.教学任务分分析数字化信息系统统（DIS）应用用传感器和数数据采集器自自动获取和输输入实验数据据，通过计算算机的快速处处理得到实验验的结果，提提高了教学效效率，使学生生可以有更多多的时间用于于自主探究活活动，改变传传统的教学模模式。学习本节内容所所需准备的知知识和技能主主要有：（11）匀速直线线运动物体的的图像描述；（2）位移、速速度的概念；（3）长度的测测量。通过实例（利用用传统测量工工具测量长度度）的测量和和讨论，感受受引入DISS的优点。结合“练习使用用DIS”实验，了解解DIS的构成成和使用方法法，并
2、练习测测定位移传感感器的测量范范围，归纳得得出测量的三三个组成部分分。通过“用DISS测量运动物物体的位移和和速度”实验，初步步学会用图像像描述和研究究物体的运动动规律，进一一步理解s-t图像和v-t图像的物理理意义。二教学目标1知识与技能能（1）知道物理理测量的三个个组成部分。（2）知道DIIS的含义、构构成和使用方方法。（3）初步学会会组装DISS，用DIS获取实实验数据、处处理数据和得得出实验图像像。（4）进一步理理解匀速直线线运动物体的的s t图像和v t图像的物物理意义。2过程与方法法（1）通过对DDIS实验数数据的采集、列列表、作图、拟拟合和转换等等环节的处理理过程，感受受研究物理
3、规规律的科学方方法和基本过过程。（2）通过对传传统仪器与DDIS测量物物理量过程的的类比研究，认认识物理实验验的一般过程程和方法。（3）通过应用用DIS对几种种直线运动情情况的实验研研究，感受图图像法是分析析和研究物理理问题的有效效方法之一。3情感、态度度与价值观（1）通过对传传统实验仪器器与DIS传感器器测量物理量量过程的对比比，体验数字字化、信息化化技术带来的的革命性的变变化，提高学学习兴趣和探探究欲望。（2）通过应用用DIS对物体体运动情况的的实验研究，感感悟物质运动动的多样性与与复杂性，建建立团结协作作的意识，养养成实事求是是的科学态度度。三、教学重点和和难点重点：熟悉DIIS的构成和
4、和使用方法。难点：用DISS测量匀速直直线运动物体体的位移和速速度。四、教学资源1、学生实验器器材：米尺，三三角尺（或直直尺），皮尺尺（或卷尺），计计算器；DIIS（位移传传感器，数据据采集器、计计算机等）及及配套的力学学轨道，小车车。2、演示实验器器材：DISS（位移传感感器，数据采采集器、计算算机等）及配配套力学轨道道，小车。3、自制课件。五、教学设计思思路本设计的内容包包括三个方面面：一是数字字化信息系统统（DIS）的介介绍；二是练练习使用DIIS；三是用用DIS测量运动物物体的位移和和速度。本设计的基本思思路是：以生生活实际和实实验为基础，通通过对传统实实验仪器和DDIS传感器器测量物
5、理量量的比较，使使学生对DIIS的构成、使使用方法有感感性认识和实实践体验；在在此基础上利利用DIS位移传感器进进一步探究匀匀速直线运动动物体的s-t图像和v-t图像的物理理意义，并求求出运动物体体的速度。本设计要突出的的重点是：熟熟悉DIS的构成成和使用方法法。方法是：通过提出“如何测量物物理教科书体体积，实验桌桌面积，教室室内地面面积积及运动物体体在某段时间间内位移”等问题创设设情景，让学学生通过分组组实验分析讨讨论传统实验验仪器测量物物理量的优缺缺点，引出数数字化信息系系统（DISS）测量的优优越性，并介介绍DIS的含义义、构成和实实验框图；然然后通过“练习使用DIIS”分组实验，使使学
6、生熟悉DDIS的构成成和使用方法法，并通过“大家谈”形式进行类比比，得出物理理测量的三个个组成部分。本设计要突破的的难点是：用用DIS测量匀匀速直线运动动物体的位移移和速度。方方法是：以作作匀速直线运运动的物体为为例，运用DDIS的数据采集、列列表、作图、拟拟合功能，实实时得出运动动物体的s-t图像和v-t图像，并从从中求出运动动物体的速度度。本设计重视物理理量测量的基基本过程，重重视培养学生生的实验技能能，提高学生生的实验素养养。完成本设计的教教学任务需22课时。六、教学流程活动IIIDIS实验2活动IV小结归纳问题设计方案DIS实验系统框图活动IDIS实验1活动II大家谈情景实验1设问11
7、教学流程图图2、流程图说明明情景 实验11和设问1通过分组实验，以以“用传统实验验仪器测量物物理教科书体体积，实验桌桌面积，教室室内地面面积积及运动物体体在某段时间间内的位移”创设情景提提出问题，随随后让学生交交流用传统测测量工具测量量物理量的体体会。活动I和活动III DIIS实验1和大家谈通过“练习使用用DIS”学生实验，使使学生熟悉DDIS的构成成和使用方法法，并通过“大家谈”的形式，通通过类比得出出物理测量的的三个组成部部分。活动III DIS实验2通过“用DISS测量运动物体体的位移和速速度”实验，使学学生初步学会会数据采集，列列表，作图、拟拟合、转换等等实验技能，理理解匀速直线线运
8、动物体ss-t图像和v-t图像的物理理意义。活动IV 小小结归纳通过“大家谈”的形式让学学生谈谈本节节课的收获和和体会，由师师生共同归纳纳得出DISS实验“实时、定量量、快速、直直观”的特点，并并进一步指出出传统实验和和数字化实验验的整合代表表了新物理实实验改革的方方向；问题 设计方方案通过设置课后思思考题，进一一步引导学生生进行拓展联联想，鼓励学学生利用DIIS在课外进进行进一步的的探究和创新新，实现“带着问题进进课堂、带着着问题出课堂堂”的教学设计计意图。七、教学案例（一）创设情景景，提出问题题学生分组实验验1、一本物理教教科书的体积积有多大？实实验桌的面积积有多大？教教室内的地面面面积是
9、多少少，请同学们们动手测量一一下？2、让一位同学学手持卷尺的的一端做直线线运动（单向向或双向运动动都可），请请另一位同学学通过卷尺刻刻度测出某段段时间内该位位同学运动的的位移？设问：用传统测测量工具测量量物理量的体体会是什么？小结：用刻度尺尺测量距离靠靠人眼观察、手手工记录，操操作耗时费力力，测量精度度较低，效率率不高，实时时测量有一定定的困难。中学物理课程中中引入了数字字化信息系统统（简称DIIS），给物物理量的测量量带来了革命命性的变化，下下面简单介绍绍如何用现代代技术手段做做物理实验。（二）引入DIIS，介绍概概况1、DIS：是是Digittal Innformaation Systee
10、m的缩写，意意为数字化信信息系统。利利用现代信息息技术进行实实验研究，我我们称做DIIS实验。2、DIS：是是Digittal Innformaation Systeem Labboratoory的缩写写，意为数字字化信息系统统实验室，是是由“传感器数数据采集器计算机（装装有实验软件件包）”构成的新型型实验系统。3、DIS的构构成、系统框框图和传感器器使用方法可可参考附录。（三）实验探究究，操作应用用应用示例1：练练习使用DIISl 实验目的：熟悉悉DIS的使用用方法l 实验器材：DIIS（位移传传感器、数据据采集器、计计算机等）；刻度尺。l 实验装置：如图图l 实验步骤：（供供参考）（1）将
11、位移传传感器与数据据采集器相连连，数据采集集器与计算机机相连构成DDIS实验系系统。（2）开启数据据采集器电源源和位移传感感器发射器部部分的电源后后，打开教材材专用软件，点点击实验条目目上的“练习使用DIIS位移传感感器”。（3）将位移传传感器的发射射器与接收器器相对放置，点点击开始记录录，观察计算算机界面上的的数据变化，并并与刻度尺的的测量结果进进行比较。（4）改变接收收器和发射器器的相对位置置，测量其可可测的最大、最最小距离和角角度范围如图图，并将实验验结果填入表表格中。发射器接收器实验记录：位移传感器的测测量范围最大距离（cmm）最小范围（cmm）测量角度范围（）l 大家谈：用刻度度尺和
12、DISS位移传感器器测量距离有有何不同和相相同的地方？相同处：任何测测量都有三个个组成部分。探测器记录，处理和显示被测对象不同处：传统实实验仪器精度度较低、误差差较大、可重重复性较差。DIS具备“实时实验”功能，数据采集、处理和分析都由计算机完成，测量时间省、精度高，误差小，传统实验和数字化实验的整合代表了新物理实验改革的方向。（四）知识迁移移，学以致用用前面我们已经学学过匀速直线线运动物体的的s-t图像和v-t图像，今天天我们就用DDIS来研究究匀速直线运运动物体的运运动情况，进进一步理解这这两个图像。应用示例2：用用DIS测定运运动物体的位位移和速度l 实验目的：研究究匀速直线运运动物体的
13、ss-t图像和v-t图像，并从从中求出物体体运动的速度度。l 实验器材：DIIS（位移传传感器、数据据采集器、计计算机等）、DIS配套力学轨道、小车。l 实验装置：研究匀速直线运动装置图l 实验步骤：（供供参考）（1）将位移传传感器的发射射器固定在小小车上，接收收器固定在力力学轨道右端端（轨道稍倾倾斜，使小车车能做匀速直直线运动），将将接收器与数数据采集器相相连，数据采采集器与计算算机相连，构构成DIS实验系系统。（2）开启数据据采集器电源源和位移传感感器发射器部部分的电源，打打开教材专用用软件，点击击实验条目上上的“测量运动物物体的位移和和速度”，屏上将出出现“位移时间间”坐标。（3）点击“
14、开开始记录”，将小车放放到轨道上，令令其滑下。数数据采集完成成，点击“停止记录”，获得位移移时间图像像，从点的走走向可以大致致看出小车位位移随时间变变化的规律。（4）拖动滚动动条，将对应应小车运动状状态的s-t图像置于显显示区域中间间，点击“拟合”，得出位移移随时间变化化的曲线。（5）点击“选选择区域按钮，在s-t图像上选择择研究区域。点点击鼠标确定定研究区域的的“开始点”；再次点击击，以确定研研究区域的“结束点。此时在软软件界面左下下方的数据窗窗口中，即可可显示出研究究区域内s-t 图线的初位位移、末位移移、时间差、速速度的值。（6）点击“vv-t图像，观察研究究区域内s-t图像对应的的v-
15、t图线。l 大家谈：如果实实验得到的ss-t图呈曲线，vv-t图像呈非水水平直线，问问题的原因是是什么？答：说明小车未未作匀速直线线运动，应调调节力学轨道道的倾斜度重重做实验。（五）小结归纳纳，理清思路路让学生谈谈本节节课的收获（包包括知识性的的、能力性的的、兴趣等方方面）。（略）（六）拓展联想想、课外探究究l 你还了解哪些现现代测量工具具替代传统的的测量工具的的实例？l 设计方案：DIIS位移传感感器在哪个测测量范围内数数值较为精确确？l 设计方案：如何何用DIS位移传传感器测出书书本的体积，实实验桌的面积积？l 设计方案：寻找找其他作匀速速直线运动的的物体，或者者自己制造一一个可能的匀匀速
16、直线运动动，然后用DDIS加以检检验，看是不不是匀速直线线运动并测出出速度大小？l 设计方案：运用用DIS研究以以下物体的运运动sS0tsSt0sSt0tsSt0sS0tttsS0ttsS0t附录：1、DIS的构构成（以DIISLabVV5.0为例例）（1）传感器：把实验中测测量的各种物物理量转换成成标准的电信信号，并把这这些信号传递递给数据采集集器。DISS配备了多种种传感器，详详见下表。传感器名称量 程分 度电流传感器-1A+1AA10mA电压传感器-10V+110V10mV微电流传感器-1A+11A/温度传感器-10+11100.1压强传感器0300kPPa0.1 kPPa力传感器20N
17、/110N0.1N磁感应强度传感感器15mT0.1mT位移传感器0200cmm1mm光电门传感器/0.01mS声波传感器100Hz11KHz1ms光强传感器/1mmG-M传感器40000cppm（最大计计数率）1cpm传感器和数据采集器（2）数据采集集器：把实验验中用传感器器采集到的电电信号转换成成数字信号并并传递给计算算机。DISS数据采集器器采用四路并并行输入，可可同时接插四四种传感器。（3）计算机（装装有实验软件件包）：通过过实验软件包包中的教材专专用软件和教教材通用软件件，以数值显显示、图表、曲曲线等各种方方式表现实验验数据，并可可根据要求对对实验数据进进行数据统计计、数据公式式计算、
18、曲线线猜想与拟合合等各种分析析与处理。2、DIS实验验系统框图：计 算 机数 据 采 集 器传 感 器计 算 机数 据 采 集 器传 感 器教材专用软件教材通用软件力传感器声传感器温度传感器压强传感器位移传感器电流传感器电压传感器微电流传感器磁感强度传感器光电门传感器光强传感器G-M传感器DIS系统构成3、传感器使用用方法简介： （1）电流传感感器：使用方方法与电流表表类似，使用用时把电流传传感器串联在在电路中。如如果待测电流流从电流传感感器的红色线线流入，黑色色线流出，显显示的数值为为正数；如果果反接，显示示的数值为负负数。（2）微电流传传感器：一般般用于定性观观察实验，其其使用方法与与电流
19、传感器器类似。（3）电压传感感器：使用方方法与电压表表类似，使用用时把电压传传感器并联在在电路中。如如果电压传感感器的红色线线接到电路的的高电位端，黑黑色线接到低低电位端，显显示的数值为为正数。如果果反接，显示示的数值为负负数。（4）压强传感感器：用于测测量气体压强强，其读数为为绝对压强值值，无需通过过大气压加以以换算。使用用时应保证被被测气体容器器与压强传感感器前端的软软管连接紧密密。（5）温度传感感器：使用方方法类似温度度计，其温度度敏感元件置置于传感器金金属探针的顶顶端，使用时时要让被测物物体与此处充充分接触。（6）声传感器器：声传感器器的敏感器件件置于传感器器前端，使用用时要将其对对准
20、声源。（7）位移传感感器：由超声声波发射模块块和接收模块块两部分构成成。使用时将将位移接收模模块与数据采采集器连接，位位移发射模块块与运动物体体固定在一起起，或直接将将其作为运动动物体（如振振子、落体等等）使用。（8）力传感器器：既可测量量拉力，又可可测量压力。软软件中规定：拉力的示数数为正值，压压力示数为负负值。（9）磁传感器器：磁传感器器探管前端内内置磁敏元件件，使用时需需接入数据采采集器预热几几分钟，待读读数稳定后再再进行测量。软软件规定：当当传感器的探探管指向被测测磁场的S极，即磁感感线经传感器器从探管顶端端处穿出时，测测量值呈正值值；当传感器器的探管指向向被测磁场的的N极，即磁感感线从探管顶顶端处进入传传感器时，测测量值呈负值值，如图所示示。示数的绝绝对值即为测测量点处平行行于探管方向向的磁感强度度分量。（10）光电门门传感器：使使用高精度光光敏器件构成成连续的光路路。在已知运运动物体长度度的条件下，记记录该物体遮遮挡光路的时时间，即可得得出物体的运运动速度。下下图为本市某某中学利用两两个光电门探探究加速度与与力、物体质质量关系的实实验装置图（未未显示计算机机）。光电门1光电门2遮光片数据采集器连接到计算机连接到数据采集器实验小车