探索物理世界的新工具DISLab傳感器

1、探索物理世界的新工具DISLab傳感器DISLab的研究與開發(fā) （02）“回顧近半個(gè)世紀(jì)的物理教育改革，最重要的成就是逐步確立了現(xiàn)代物理教學(xué)觀，教學(xué)過程從強(qiáng)調(diào)論證知識(shí)的結(jié)論向獲取知識(shí)的科學(xué)過程轉(zhuǎn)化，從強(qiáng)調(diào)單純積累知識(shí)向探求知識(shí)方向轉(zhuǎn)變。重視科學(xué)過程和重視能力培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教育的基本原則?！保ㄒ悦嫦?1世紀(jì)上海市中學(xué)物理學(xué)科教育改革行動(dòng)綱領(lǐng)）而物理學(xué)中，概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立，都有賴于實(shí)驗(yàn)。因此，強(qiáng)調(diào)重視實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，成為上海市二期課改對物理教學(xué)的基本要求。上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心立足課改教材的具體要求，研究開發(fā)出了數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱“DISLab”）

2、。DISLab不僅列入上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，而且在全市53所課改試點(diǎn)學(xué)校進(jìn)行了為期兩年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。DISLab是由傳感器數(shù)據(jù)采集器計(jì)算機(jī)（安裝實(shí)驗(yàn)軟件包）構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，DISLab系列傳感器成功克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合。1、儀器現(xiàn)狀導(dǎo)致教改難行在二期課改的大背景下，傳統(tǒng)中學(xué)儀器設(shè)備不僅很難滿足學(xué)生發(fā)展的需要，有些還成為阻礙實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸。其主要表現(xiàn)在于：多種物理量的測量手段欠缺聲學(xué)、光學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、磁學(xué)實(shí)驗(yàn)所要求的基本數(shù)據(jù)較難獲取，靠虛擬或仿真加以替代，充其量也不過紙上談兵；現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器普遍精度低、誤差大、可重復(fù)性差，影響學(xué)

3、生對物理規(guī)律的深入理解； 實(shí)驗(yàn)儀器的讀數(shù)僅靠人眼觀察、手工記錄，操作耗時(shí)費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率低下。目前教材內(nèi)容擴(kuò)充、課時(shí)緊湊，更令教師對實(shí)驗(yàn)望而卻步。要充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的教育、教學(xué)功能，就必須尋求先進(jìn)、可靠的測量手段，以突破實(shí)驗(yàn)儀器落后形成的瓶頸?！拔覀兛偛荒軕{借著卡文迪許時(shí)代的裝備培養(yǎng)比爾·蓋茨時(shí)代的新人吧？”面對實(shí)驗(yàn)儀器和課改要求的巨大反差，一位物理教師如是說。2、技術(shù)進(jìn)步突破裝備瓶頸 針對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器和測量手段存在的“硬傷”，上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心借鑒了國際國內(nèi)的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)上海教育的實(shí)際需求，研發(fā)了多種DISLab物理量傳感器（表1）。傳感器名稱量 程分 度對應(yīng)

4、的中學(xué)實(shí)驗(yàn)儀表、器材電流傳感器-1A+1A10mA電流表電壓傳感器-10V+10V10mV電壓表微電流傳感器-1A+1A/靈敏/鏡式電流計(jì)溫度傳感器-10+1100.1溫度計(jì)壓強(qiáng)傳感器0300kPa±0.1 kPa壓強(qiáng)計(jì)力傳感器±20N/±10N0.1N測力計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器±15mT0.1mT無位移傳感器0200cm1mm打點(diǎn)計(jì)時(shí)器光電門傳感器/0.01mS數(shù)字毫秒計(jì)聲波傳感器100Hz1KHz1ms無光強(qiáng)傳感器/1mm光度計(jì)G-M傳感器40000cpm（最大計(jì)數(shù)率）1cpmG-M計(jì)數(shù)器表1 DISLab傳感器一覽傳感器本身并不神秘，伴隨著仿生學(xué)和自動(dòng)

5、測控發(fā)展起來的傳感器在我們的日常生活中已獲得了廣泛應(yīng)用。但在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入傳感器，即使在國外也不過近幾年的時(shí)間。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相比，傳感器更具有品種多、技術(shù)新、功能強(qiáng)、發(fā)展快、性能可靠的優(yōu)勢。如DISLab力傳感器、位移傳感器、磁感強(qiáng)度傳感器、光強(qiáng)度傳感器就成功填補(bǔ)了傳統(tǒng)儀器的測量空白；而DISLab光電門傳感器可以將測量分檔縮小到10微秒，比數(shù)字毫秒計(jì)高出了兩個(gè)數(shù)量級(jí)；溫度傳感器的量程為-10+110度，分度達(dá)到了0.1度。更重要的是，傳感器能夠把物理量轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，且具備信號(hào)實(shí)時(shí)上傳的功能，與計(jì)算機(jī)的通訊方便。這保證了信息技術(shù)的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，不僅能實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)儀器的補(bǔ)

6、充和替代，更能夠超越傳統(tǒng)儀器的功能。3、開啟中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化時(shí)代DISLab傳感器的引入，初步實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中測量手段的數(shù)字化，與計(jì)算機(jī)結(jié)合后更實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、分析、計(jì)算的智能化。DISLab傳感器的應(yīng)用，標(biāo)志著中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)上了一個(gè)新臺(tái)階。DISLab電學(xué)傳感器圖1 DISLab電學(xué)傳感器DISLab電學(xué)傳感器包括電流（圖1左）、微電流（圖1中）和電壓傳感器（圖1右）。電流、微電流傳感器的使用方法與電流表相同，使用時(shí)將傳感器串聯(lián)在電路中，電流自紅色夾鉗入，由黑色夾鉗出。電壓傳感器的使用方法與電壓表相同，使用時(shí)，將電壓傳感器并聯(lián)在電路中，紅色夾鉗接高電位，黑色夾鉗接低電位。圖2

7、使用電學(xué)傳感器描繪小燈泡伏安特性曲線電學(xué)傳感器被廣泛應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。如等勢線描繪、歐姆定律、導(dǎo)體的伏安特性、閉合電路歐姆定律、電源的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻、金屬絲的電阻率、小燈泡的伏安特性曲線、電容充放電與串并聯(lián)、整流與濾波、交流電觀察、李薩如圖形、RC移相電路、電感中的相差、楞次定律、自感現(xiàn)象、微弱磁通量變化時(shí)的感生電流、LC振蕩、電磁振蕩、發(fā)電機(jī)原理、二、三極管特性曲線、晶體管放大電路、簡單邏輯電路、電磁波發(fā)送接收、電磁波屏蔽、復(fù)雜電路分析、電路故障分析、電橋?qū)嶒?yàn)、無窮型電路展示、恒壓源與恒流源、雙穩(wěn)態(tài)電路、多諧振蕩器等諸多實(shí)驗(yàn)，均可借助電學(xué)傳感器來完成。另外，憑借DISLab系統(tǒng)依據(jù)傳感器數(shù)

8、據(jù)實(shí)時(shí)繪出的“物理量-時(shí)間”圖線，實(shí)驗(yàn)效果明顯好于傳統(tǒng)儀表，學(xué)生對物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深入。DISLab溫度傳感器圖3 DISLab溫度傳感器DISLab溫度傳感器（圖3）內(nèi)置鉑電阻溫敏器件，其分度小、精度高，量程跨越冰點(diǎn)和沸點(diǎn)，進(jìn)一步拓展了實(shí)驗(yàn)范圍。圖4 使用溫度傳感器測量晶體熔點(diǎn)DISLab溫度傳感器配合其他實(shí)驗(yàn)器材，可進(jìn)行摩擦作功使溫度升高、液體蒸發(fā)溫度下降、水的熱傳導(dǎo)和對流、晶體的溶解和凝固、熱傳導(dǎo)、電流熱效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)。由于探針熱容量小，靈敏度高，一些用普通溫度計(jì)做得不理想的實(shí)驗(yàn)，如氣體絕熱壓縮或膨脹時(shí)溫度變化、紅外線的熱效應(yīng)等，使用DISLab溫度傳感器之后均獲得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。D

9、ISLab壓強(qiáng)傳感器圖5 DISLab壓強(qiáng)傳感器DISLab壓強(qiáng)傳感器（圖5）采用精密壓強(qiáng)敏感器件，所測量的是絕對壓強(qiáng)值，無須通過大氣壓加以換算。將傳感器前端引出的軟管與實(shí)驗(yàn)裝置連通，即可開始測量。圖5左上方為配套的注射器。使用DISLab壓強(qiáng)傳感器可完成波意耳定律、查理定律、蓋·呂薩克定律、液體內(nèi)部壓強(qiáng)、未飽和氣壓、飽和氣壓等實(shí)驗(yàn)。在一些涉及到氣壓變化的常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，加上一個(gè)三通管，將傳感器連接到實(shí)驗(yàn)用壓力容器上，即可隨時(shí)“監(jiān)控”氣壓變化，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)揭示現(xiàn)象背后的本質(zhì)。如馬德堡半球、液體在低壓時(shí)的沸騰、牛頓管等實(shí)驗(yàn)，均可則可使用DISLab壓強(qiáng)傳感器加以改造和優(yōu)化，揭示氣壓

10、的變化在上述實(shí)驗(yàn)中的決定性作用。圖6 壓強(qiáng)傳感器用于查理定律實(shí)驗(yàn)DISLab力傳感器圖7 DISLab力傳感器 DISLab力傳感器（圖7）的核心器件為壓力應(yīng)變片。其結(jié)構(gòu)為一開孔金屬片，可將受力引發(fā)的微小形變轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。力傳感器的設(shè)計(jì)遵循了人機(jī)工程學(xué)的原則，獨(dú)創(chuàng)手柄構(gòu)造，便于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中持握，并能夠與各種支架、力矩盤等器材緊密配合。DISLab力傳感器可測量拉力與壓力。圖7左下方為配套的固定螺栓（用于傳感器在教具上的固定）與大帽螺釘（壓力測量專用）。圖8 在力的合成實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用DISLab力傳感器DISLab力傳感器用途廣泛，原來使用測力計(jì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，幾乎都可以轉(zhuǎn)而使用DISLab力傳感器完

11、成。如胡克定律、力的合成和分解、二力平衡、物體的慣性、牛頓第三定律、浮力研究、曲面橋的受力分析、圓周運(yùn)動(dòng)、簡單機(jī)械等。與其他傳感器配合，還可完成加速度與拉力的關(guān)系、碰撞中的動(dòng)能、熱膨脹(氣體、液體)、安培力測量等多種實(shí)驗(yàn)。憑借DISLab系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖線功能，還能解決長期以來傳統(tǒng)器材的實(shí)驗(yàn)難題，如摩擦力的研究、超重與失重、碰撞等。DISLab磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器DISLab磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器（圖9）的探測管頂端內(nèi)置磁敏元件，用于測量圖9 DISLab磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器由環(huán)境磁場變化引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對變化，傳感器測量的絕對值即為所測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。另外，軟件規(guī)定：當(dāng)探測管指向被測磁場S極，即指向與磁

12、感線方向相同時(shí)，測量值呈正值圖11 磁傳感器測量值為負(fù)圖10 磁傳感器測量值為正（圖10）；當(dāng)探測管指向被測磁場N極，即指向與磁感線方向相反時(shí)，測量值呈負(fù)值（圖11）。圖12 與位移傳感器組合，研究磁感強(qiáng)度與距離的關(guān)系作為一種新型測量手段，DISLab磁感強(qiáng)度傳感器研發(fā)成功以后即成了研究性學(xué)習(xí)的理想工具。開發(fā)的實(shí)驗(yàn)包括條形磁鐵的磁場、地球磁場、通電螺線管內(nèi)部磁場、直導(dǎo)線周圍磁場、磁滯回線等，均為借助傳統(tǒng)器材難以完成的實(shí)驗(yàn)。DISLab磁感強(qiáng)度傳感器不僅為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開辟了一個(gè)新天地，而且成為了實(shí)施二期課改理念的典型載體。DISLab位移傳感器圖13 DISLab位移傳感器目前國外的位移測量裝置

13、，一般采用超聲波回波定位的方式，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)小型聲納系統(tǒng)。這類裝置既能發(fā)射超聲波，又能接收物體反射的回波，并根據(jù)兩者的時(shí)間差計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體的距離。為了濾除雜波，該類裝置通常設(shè)置了測量盲區(qū)（一般為50cm），有的裝置還要求被測物體有較大的獨(dú)立反射面，存在精度較低、抗干擾能力差的缺點(diǎn)。DISLab位移傳感器（圖13）采用獨(dú)創(chuàng)的收發(fā)分體式結(jié)構(gòu)，圖右為傳感器的發(fā)射器，實(shí)驗(yàn)中與運(yùn)動(dòng)物體固定在一起，或直接充當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體，如振子、落體等；圖左為傳感器的接收器，實(shí)驗(yàn)中可固定在支架上，并與數(shù)據(jù)采集器相連。通過在發(fā)射器和接收器上設(shè)置的光速波發(fā)射與接收裝置，兩者可以通過光速波進(jìn)行通訊，以確定超聲波開始發(fā)射的時(shí)間t

14、1和超聲波接收器接收到聲波的時(shí)間t2。時(shí)間差（t2-t1）乘以聲速就得到發(fā)射器和接收器之間的距離，也就是被測物體和接收器之間的距離。其工作原理如圖14所示。 超聲波 發(fā)射器超聲波接收器光速波超聲波被測物體圖14 DISLab位移傳感器工作原理圖15 使用DISLab位移傳感器研究勻速直線運(yùn)動(dòng)DISLab位移傳感器提供了遠(yuǎn)優(yōu)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位移測量方法，并填補(bǔ)了測量持續(xù)運(yùn)動(dòng)物體（彈簧振子等）位移的空白，由此開發(fā)出很多借助傳統(tǒng)儀器無法完成的實(shí)驗(yàn)，并使很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)獲得了顯著優(yōu)化，如研究勻速直線運(yùn)動(dòng)、平均速度的測量、加速度的測量、測重力加速度、加速度與拉力的關(guān)系、加速度與質(zhì)量的關(guān)系、簡諧振動(dòng)的相位、單擺

15、周期的測量、阻尼振動(dòng)等。圖16 光電門傳感器DISLab光電門傳感器光電門是運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中測量速度、加速度的重要裝備，已獲得廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的光電門僅與數(shù)字毫秒計(jì)等計(jì)時(shí)裝置配套，數(shù)據(jù)讀取、記錄全由人工完成，再加上代入公式計(jì)算，實(shí)驗(yàn)操作頗為繁瑣。DISLab光電門傳感器（圖16）采用靈敏光電器件，不僅測量精度高，實(shí)時(shí)性好，可借助計(jì)算機(jī)分析、計(jì)算和處理，實(shí)驗(yàn)效率大大提高。圖17 使用光電門測量重力加速度由于DISLab光電門傳感器的性能與傳統(tǒng)光電門相比有了顯著提高，所以可以較為理想地完成一系列經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，如單擺周期的測量、平均速度與瞬時(shí)速度、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律、機(jī)械能守恒定理（斜軌法）、機(jī)械能守恒

16、定理（落體法）、觀察碰撞中的動(dòng)能、重力加速度測量、單擺法測重力加速度、單擺的振動(dòng)圖像（單擺研究）、平拋運(yùn)動(dòng)等。DISLab聲波傳感器圖19 使用DISLab聲波傳感器進(jìn)行聲干涉實(shí)驗(yàn)圖18 DISLab聲波傳感器DISLab聲波傳感器（圖18）以駐極體為聲敏器件，可將聲音轉(zhuǎn)化成直觀的波形信號(hào)，有利于學(xué)生理解聲音現(xiàn)象的波動(dòng)本質(zhì)。DISLab聲波傳感器可與音叉等聲源配套，完成聲波的振動(dòng)圖像觀察、振幅與響度的關(guān)系研究、頻率與音調(diào)的關(guān)系研究、聲音的共鳴、同頻聲波的合成（干涉）聲干涉、異頻聲波的合成等實(shí)驗(yàn)。最新設(shè)計(jì)的聲學(xué)教學(xué)專用軟件，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部設(shè)置了“聲庫”學(xué)生可以在多重感官的刺激之下，交互式地學(xué)習(xí)、理

17、解波動(dòng)和聲音。這種全新的學(xué)習(xí)情境，不僅激發(fā)了學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也滿足了個(gè)性化學(xué)習(xí)的要求。DISLab光強(qiáng)傳感器圖21 光的干涉衍射實(shí)驗(yàn)圖20 DISLab光強(qiáng)傳感器DISLab光強(qiáng)傳感器（圖20）采用新型光敏器件，光敏區(qū)域?qū)?，測量精度高，每毫米測量點(diǎn)數(shù)達(dá)到12個(gè)，響應(yīng)速度快。光敏器件上的特殊裝置可抗背景亮度干擾，環(huán)境照度小于50Lx即可進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)。與國外產(chǎn)品采用的機(jī)械式光強(qiáng)測量裝置不同，DISLab光強(qiáng)傳感器可以在一定范圍內(nèi)把光的分布以光強(qiáng)形式瞬時(shí)呈現(xiàn)。這使以前被視為光學(xué)實(shí)驗(yàn)“畏途”的光的干涉、衍射、偏振、光波長測量等實(shí)驗(yàn)從此成為“坦途”。DISLab G-M傳感器圖22 DI

18、SLab G-M傳感器DISLab G-M傳感器（圖22）的敏感器件采用特種G-M計(jì)數(shù)管，可記錄單位時(shí)間內(nèi)由射線或帶電粒子激發(fā)的脈沖數(shù)（計(jì)數(shù)率），以此測量輻射強(qiáng)度。DISLab輻射傳感器具備每分鐘記錄40000個(gè)脈沖的功能。支持DISLab G-M傳感器的教材專用軟件完全基于實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)有“歷史記錄”、“脈沖顯示”、“聲響提示”等特有功能。圖23 放射源與距離關(guān)系實(shí)驗(yàn)使用DISLab G-M傳感器可完成包括本底計(jì)數(shù)率（環(huán)境輻射強(qiáng)度）測量、放射源計(jì)數(shù)率（輻射強(qiáng)度）測量、計(jì)數(shù)率和放射源距離的關(guān)系研究、放射源的屏蔽研究、天然石材中的放射性測量等系列原子物理實(shí)驗(yàn)，拓展了實(shí)驗(yàn)探究的范圍，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情。正如教育專家所說：最有效的學(xué)習(xí)環(huán)境就是傳統(tǒng)與現(xiàn)代的有機(jī)結(jié)合。DISLab G-M傳感器的研發(fā)成功為實(shí)施