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1、中学物理实验教教学实验论文文论文题目 中中学物理信息息化实验的教教学研究 姓姓 名名 李 浩 班班 级级 物理0811班 学学 号号 081880122 同同 组 人 陈 贺 实验时间间： 20111 年 4 月 14 日中学物理信息化化实验的教学学研究李 浩（浙江师范大学学 数理与信信息工程学院院）【摘 要】信信息化实验已已经越来越受受到教育工作作者的重视，本本文举例阐述述了部分信息息化实验的原原理和应用，并并分析了其利利与弊。【关键词】传感感器 DIIS 计算算机 信息息化1 引言随着信息时代的的发展，信息息技术与中学学物理实验教教学的结合越越来越紧密，国国内各省市高高级中学陆续续将信息技
2、术术引入物理实实验教学中，提提高中学物理理实验的可视视化、具体化化、形象化程程度，使得物物理实验教学学课堂更充实实，更活跃。各类传感器的引引入为信息化化实验的教学学提供了工具具和优势，使使用传感器，将将各类信号转转化成电信号号，输入计算算机，使用计计算机进行数数据的处理，增增强了实验的的精确度，节节省了实验时时间，学生可可以将节省下下来的时间投投入更深层次次的学习。2 传感器传感器是一种物物理装置或生生物器官，能能够探测、感感受外界的信信号、物理条条件（如光、热热、湿度）或或化学组成（如如烟雾），并并将探知的信信息传递给其其他装置或器器官。本文讨讨论的主要是是作为物理装装置的传感器器。传感器是
3、能感受受规定的被测测量并按照一一定的规律转转换成可用信信号的器件或或装置，通常常由敏感元件件和转换元件件组成。传感感器是一种检检测装置，能能感受到被测测量的信息，并并能将检测感感受到的信息息，按一定规规律变换成为为电信号或其其他所需形式式的信息输出出，以满足信信息的传输、处处理、存储、显显示、记录和和控制等要求求。它是实现现自动检测和和自动控制的的首要环节。 在利用信息的过过程中，首先先要解决的就就是要获取准准确可靠的信信息，而传感感器是获取自自然和生产领领域中信息的的主要途径与与手段。现代代工业生产尤尤其是自动化化生产过程中中，要用各种种传感器来监监视和控制生生产过程中的的各个参数，使使设备
4、工作在在正常状态或或最佳状态，并并使产品达到到最好的质量量。因此可以以说，没有众众多的优良的的传感器，现现代化生产也也就失去了基基础。 在基础学科研究究中，传感器器更具有突出出的地位。现现代科学技术术的发展，进进入了许多新新领域：例如如在宏观上要要观察上千光光年的茫茫宇宇宙，微观上上要观察小到到厘米的粒子子世界，纵向向上要观察长长达数十万年年的天体演化化，短到秒的的瞬间反应。此此外，还出现现了对深化物物质认识、开开拓新能源、新新材料等具有有重要作用的的各种极端技技术研究，如如超高温、超超低温、超高高压、超高真真空、超强磁磁场、超弱磁磁砀等等。显显然，要获取取大量人类感感官无法直接接获取的信息息
5、，没有相适适应的传感器器是不可能的的。许多基础础科学研究的的障碍，首先先就在于对象象信息的获取取存在困难，而而一些新机理理和高灵敏度度的检测传感感器的出现，往往往会导致该该领域内的突突破。一些传传感器的发展展，往往是一一些边缘学科科开发的先驱驱。 由此可见，传感感器技术在发发展经济、推推动社会进步步方面的重要要作用，是十十分明显的。世世界各国都十十分重视这一一领域的发展展。相信不久久的将来，传传感器技术将将会出现一个个飞跃，达到到与其重要地地位相称的新新水平。3 传感器的的工作原理传感器工作原理理的是应用物物理效应，诸诸如压电效应应，磁致伸缩缩现象，离化化、极化、热热电、光电、磁磁电等效应。被
6、被测信号量的的微小变化都都将转换成电电信号。大多数传感器是是以物理原理理为基础运作作的。向传感感器提供15V电源源，激磁电路路中的晶体振振荡器产生4400Hz的的方波，经过过TDA20030功率放放大器即产生生交流激磁功功率电源，通通过能源环形形变压器T11从静止的初初级线圈传递递至旋转的次次级线圈，得得到的交流电电源通过轴上上的整流滤波波电路得到5V的直流流电源，该电电源做运算放放大器AD8822的工作作电源；由基基准电源ADD589与双双运放AD8822组成的的高精度稳压压电源产生4.5V的的精密直流电电源，该电源源既作为电桥桥电源，又作作为放大器及及V/F转换换器的工作电电源。当弹性性轴
7、受扭时，应应变桥检测得得到的mV级级的应变信号号通过仪表放放大器AD6620放大成成1.5V1V的强信号，再再通过V/FF转换器LMM131变换换成频率信号号，通过信号号环形变压器器T2从旋转转的初级线圈圈传递至静止止次级线圈，再再经过外壳上上的信号处理理电路滤波、整整形即可得到到与弹性轴承承受的扭矩成成正比的频率率信号，该信信号为TTLL电平,既可可提供给专用用二次仪表或或频率计显示示也可直接送送计算机处理理。由于该旋旋转变压器动动-静环之之间只有零点点几毫米的间间隙，加之传传感器轴上部部分都密封在在金属外壳之之内，形成有有效的屏蔽，因因此具有很强强的抗干扰能能力。有些传传感器既不能能划分到
8、物理理类，也不能能划分为化学学类。4 基本传感感器（1）热敏电阻阻热敏电阻是最原原始的传感器器之一，是将将温度的变化化转化成电阻阻的变化的实实验元件，热热敏电阻对温温度敏感，在在不同的温度度下表现出不不同的电阻值值。热敏电阻的主要要特点是：灵敏度较高，其其电阻温度系系数要比金属属大101100倍以上上，能检测出出10-6的温度变化化；工作温度范范围宽，常温温器件适用于-55315，高温器件件适用温度高高于315（目前最高高可达到20000），低温器器件适用于-27355；体积小，能能够测量其他他温度计无法法测量的空隙隙、腔体及生生物体内血管管的温度；使用方便，电电阻值可在00.11000k间任
9、意选择择；易加工成复复杂的形状，可可大批量生产产；稳定性好、过过载能力强。实验中以如右图图所示的热敏敏电阻为例，测测量电阻在不不同温度下的的阻值，探索索热敏电阻阻阻值和温度的的关系。实验将热敏电阻阻放入水中，改改变水温，用用万用表测量量热敏电阻的的阻值，记录录不同温度下下组织的大小小，如表1所所示，阻值变变化图象见下下图。温度（C）阻值（）温度（C）阻值（）48232537.5346345259036377042296834.53960403166334330393292304850表1 不同温温度下热敏电电阻的阻值由数值和图像可可以看出，此此热敏电阻是是跟温度负相相关的，及温温度越高，电电阻
10、值越低，这这是大部分热热敏电阻的特特点，也存在在电阻值与温温度正相关，即即温度越高，电电阻值越高的的热敏电阻。同时，热敏电阻阻也具有一定定的弱点，比比如温度和阻阻值没有严格格的线性关系系，测量温度度的范围比较较小，不适合合在高温条件件下使用等，在在使用时应该该慎重选择。（2）光敏电阻阻光敏电阻是利用用半导体的光电效应制成成的一种电阻阻值随入射光光的强弱而改改变的电阻器器；入射光强强，电阻减小小，入射光弱弱，电阻增大大。光敏电阻阻器一般用于于光的测量、光光的控制和光光电转换（将将光的变化转转换为电的变变化）。常用的光敏电阻阻器硫化镉光光敏电阻器，它它是由半导体体材料制成的的。光敏电阻阻器的阻值随
11、随入射光线（可可见光）的强强弱变化而变变化，在黑暗暗条件下，它它的阻值（暗暗阻）可达1110M欧欧，在强光条件件（100LLX）下，它它阻值（亮阻阻）仅有几百百至数千欧姆姆。光敏电阻阻器对光的敏敏感性（即光光谱特性）与与人眼对可见见光（0.440.766）m的响应很很接近，只要要人眼可感受受的光，都会会引起它的阻阻值变化。设设计光控电路路时，都用白白炽灯泡（小小电珠）光线线或自然光线作控控制光源，使使设计大为简简化。实验中以如右图图所示的光敏敏电阻为例，测测量电阻在不不同光照下的的阻值，探索索光敏电阻阻阻值和温度的的关系。实验将光敏电阻阻放在强、中中、弱三种不不同的光照下下，用万用表表测量光敏
12、电电阻的阻值，记记录不同温度度下组织的大大小。实验测测得，在正常常光照的情况况下，阻值为为，在中强光光的情况下，阻阻值为，在黑黑暗的情况下下，其阻值为为。由此可见见，光敏电阻阻的阻值随着着光照条件的的增强而减小小。（3）继电器如图所示的继电电器，是热敏敏电阻的应用用实例之一，当当温度达到一一定程度时，继继电器可以工工作，发出响响声。实验测测得的工作温温度是63.3C，这种继继电器可以作作为报警器使使用，防止温温度过高对用用电器造成不不必要的损坏坏。5 朗威微机机辅助高级物物理实验系统统随着计算机技术术的发展，计计算机辅助实实验越来越受受到研究者的的青睐。随着着中学物理实实验的要求不不断提高，基
13、基于“传统仪器+传感器+计计算机”的实验模式式逐步走进物物理实验教学学的课堂。计算机辅助实验验多是传感器器和计算机的的结合，是传传感器的应用用。早在上世世纪七八十年年代，美国就就开始将传感感器技术、计计算机技术等等应用于实验验仪器的改进进及教学当中中，我国在这这方面的起步步相对较晚。目目前在数字化化实验仪器方方面，国际上上知名的当数数美国PASSCO公司，其其产品涵盖了了物理、化学学等多个学科科。国内较为为知名的是山山东远大网络络多媒体股份份有限公司，其其推出较为系系统的朗威系系列数字化实实验仪器品牌牌。本文以单单摆测重力加加速度的实验验为例，介绍绍朗威微机辅辅助高级物理理实验系统的的工作。实
14、验目的测量单摆的振动动周期，验证证其等时性，测测量重力加速速度。实验器材 朗威LloongwilllTM微机辅助助高级中学物物理实验系统统、微机、单单摆等。操作步骤（1）取出单摆摆传感器，接接入数据采集集器的第一输输入口。（2）点击“停停止数据采集集”，避免记录录将调试阶段段的挡光数据据。（3）进行“计计时设置”，将通道一一设置为“时刻”下的“隔次”模式。（4）在单摆摆摆球的下面安安装10毫米米长的火柴杆杆或牙签等，调调整摆长和光光电门的位置置，使火柴杆杆可通过单摆摆传感器顺利利挡光，并确确保单摆传感感器定位在单单摆运动的平平衡位置。（5）点击“开开始数据采集集”，将摆球摆摆动。（6）让摆球下
15、下的小木棒通通过单摆传感感器数十次以以上，点击“停止数据采采集”。（7）打开“数数据分析”表格，将“变量一”命名为T66，将实验数数据栏T1内内的数据全部部选中复制，以以次序列的“第二次”所在行对应应的T6栏的的单元格为起起点，粘贴复复制的实验数数据。（8）将“表达达式一”命名为“周期”，并输入公公式“T1-T66”，即T1中中记录的摆球球通过传感器器的某一时刻刻减去前一时时刻，可得出出单摆的振动动周期，并通通过公式g=42L/T2得出重力加加速度。点击击“数据计算”，得出实验验结果，如下下图所示。6 单摆实验验的对比如右图所示，传传统的单摆测测重力加速度度的实验也是是通过测量单单摆的周期来来
16、计算重力加加速度的，不不过传统的实实验多是由实实验者本人通通过停表测量量单摆的周期期，由于实验验者的因素而而造成的误差差难以避免，所所以，常规实实验中，也采采用了光电门门这种传感器器，记下单摆摆摆五十下所所用的时间，进进而计算出单单摆的周期TT，则重力加加速度。经过测量，单摆摆摆动30次次所用的时间间为49.225s，则单单摆的周期为为，重力加速速度。7 实验总结结与体会信息化实验是高高中物理实验验教学中的新新型产品，同同时也是高中中物理实验的的重要组成部部分。利用信信息技术进行行物理实验教教学前，需要要了解信息化化实验的原理理和所用物理理仪器的功能能，教学时为为学生讲解信信息化实验器器具的原
17、理和和使用注意事事项。在进行行实验课的过过程中，由于于信息化实验验多是集成性性的实验器具具，并且需要要借助计算机机软件进行试试验，需要注注意学生的操操作规范和实实验软件的保保护。信息化实验提高高了实验的精精度。将以往往需要人工进进行的操作，尤尤其是测量工工作交给传感感器和计算机机，减少了因因人为因素造造成的误差。不不过，大多数数的计算机辅辅助实验也没没有放弃培养养学生的动手手能力，实验验的基本骨架架需要学生自自己进行搭建建，计算机辅辅助进行测量量和计算。信息化实验走进进高中课堂，有有助于学生培培养信息素养养技能，并且且能够吸引学学生的兴趣，解解决学生以往往比较繁琐的的实验过程，使使学生能有更更多的时间投投入更多的实实验探索和实实践中。- 10 -