DIS在高中物理實驗教學中的輔助功能

張慧兒

摘要：隨著科技的不斷進步，現代教育技術有了長足發展。由計算機、物理數據采集儀、傳感器、應用軟件等組成的數字化信息系統（DIS）是一個完整的現代教育技術平臺。利用它多類型的傳感器、多通道的數據采集器、多樣化的自主操控平臺以及強大的數據采集，可以解決傳統實驗難以解決的問題，完成常規儀器難以完成的實驗，難以驗證的公式、定律，提高了測量精度和教學效果。本文就傳感器在物理實驗教學中的應用展開，以驗證機械能守恒定律為例說明DIS實驗在中學物理實驗教學中的輔助功能。

關鍵詞：傳感器;驗證機械能守恒;高考試題

高中物理新課程標準中明確要求：高中階段的物理課應該更加關注學生對科學探究的理解，提高在科學探究過程中的學習質量和科學探究的能力?；贒IS的探究實驗是學生主動探究的學習方式，讓學生通過使用不同類型的傳感器收集、分析和處理數字化信息來體驗知識的產生和創造過程，進而學會學習，有助于培養學生分析問題、解決問題的能力。

一、傳統實驗特點

在高中物理實驗室里，這個實驗主要使用的儀器是打點計時器配合紙帶重物完成，實驗原理比較簡單，如何讓學生既明白實驗原理及處理數據的方法，又在課堂上得出多組數據讓實驗結果更有說服力呢？傳統教學有幾種處理方式：（1）課堂上先由理論得出結論（有的直接得出結論），并學會運用定律，老師再另找一個課時用實驗驗證重物在自由下落過程中的機械能守恒。這種方法體現不出實驗出真理的學科特點。（2）在課堂上給學生一段時間進行實驗探究，得出結果后再用理論進行驗證。這種方法看起來非常完美，但在操作過程中時間拖拉很嚴重，麻煩的是實驗數據的處理，實驗操作部分不到一分鐘（重物下落本身很快），但實驗后的數據處理卻需要至少十分鐘，對于不能使用計算器計算能力不強又容易出錯的學生來說，實驗結果的得出既慢又不準確，如果需要多次測量，多次反復計算得出結論在課堂上是不符合實際的，得不出正確的結果。

二、利用DIS實驗進行輔助教學

如果我們利用DIS實驗進行這個實驗，就能克服數據處理的困難。我們根據教學實驗的要求，組合成適合自己教學需要的實驗裝置，對“驗證機械能守恒定律”一課中的探究實驗，利用DIS實驗系統對軟件重組了裝置，真正充分利用了DIS實驗的快捷、方便，達到提高課堂教學效率、調動學生探究實驗的熱情的目的。具體方法有：

1、利用自由落體驗證機械能守恒定律。

實驗器材：光電門傳感器（2個），長金屬板軌道，細長形圓柱體重物1個。

實驗步驟：（1）按上圖把儀器裝備好。（2）讓重物從靜止開始下落，豎直地經過兩個光電門傳感器。（3）事先在計算機里的相應軟件上設計好實驗公式，由計算機對實驗數據進行處理。（4）重復前面步驟進行多次測量。（5）根據處理結果進行分析，得出實驗結論。

實驗優點：這個實驗儀器很簡單，操作不復雜，最大的特點是借助計算機進行數據整合處理，非常方便，避免人工處理的不準確性，省時省力，把學生的注意力集中在實驗過程及結果分析方面，學生興致非常高，可以進行無數次的驗證，這一方法能讓學生把對數學處理的恐慌降到最低，激發學習物理的熱情。

注意事項：需要細心。如重物下落時務必保持豎直，否則容易撞到光電門。再者，重物選擇圓柱體，在下落時要平動、不傾斜。否則容易使光電門測到的遮光長度比直徑長，那么測得的瞬時速度就會偏大，增加的動能也偏大，這就是表格中會出現增加的動能比減少的重力勢能大的原因。在傳統實驗中，這是不可能出現的。

2、利用透明直尺和光電計時器來驗證機械能守恒定律。

實驗的簡易示意圖如下，當有不透光的物體從光電門間通過時，光電計時器就可以顯示物體的擋光時間.所用的光電門傳感器可測得最短時間為0.01 ms.將擋光效果好、寬度為d=3.8×10-3 m的黑色磁帶貼在透明直尺上，從一定高度由靜止釋放，并使其豎直通過光電門.某次測得各段黑色磁帶通過光電門的時間Δti與圖中所示的高度差Δhi，計算并比較1點與各點之間的勢能變化大小 MgΔhi 與動能變化大小ΔEk，并將部分數據進行了處理，結果如下表所示.（取g=9.8 m/s2，注：表格中M為直尺質量）

3、利用擺錘的下擺驗證機械能守恒定律。

實驗方法：用如下圖所示的裝置）

讓擺錘自然下垂，觀察擺錘的質心是否與標尺盤的圓弧邊緣處于同一水平線，否則要對擺錘的系線進行伸縮調整。將光電門置于標尺盤的D點，此時光電門的接收孔應當與標尺盤的圓弧邊緣處于同一水平線，將擺錘置于A點并釋放，通過D點的速度記錄在表格中。光電門置于B點，其接收孔位于B點的延長線上。測量B點的速度，點擊“數據計算”，得到各點的數據。將光電門先后置于D、C、B點，分別測量計算各點的勢能、動能和機械能。計算并比較鋼球在釋放點和D點之間的勢能變化大小ΔEp與動能變化大小ΔEk，就能驗證機械能是否守恒。

釋放時注意手法要輕，不要讓擺錘釋放器發生移動。提高擺錘的釋放高度，進一步驗證動能、勢能的關系。各點的勢能和動能可以轉化，但總的機械能不變。

理想的實驗結果：機械能基本一致。

4、利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖丙所示，從與光電門連接的數字計時器（圖中未畫出）上讀出擋光條通過光電門1和光電門2的時間Δt1、Δt2，用天平測量出滑塊和擋光條的總質量M及托盤和砝碼的總質量m，用游標卡尺測量出擋光條寬度l，從導軌標尺上讀出兩光電門之間的距離L，則滑塊通過光電門1、2時系統的總動能分別為Ek1=12（m+M）·lΔt12，Ek2=12（m+M）·lΔt22，而系統重力勢能的減少量ΔEp=mgL，如果ΔEp=Ek2-Ek1，則驗證了機械能守恒定律.

三、總結與反思

在實際紙帶的計算中測量數據都是隨機的，計算量較大，如果用計算機和傳感器這個工具，會使學生的數據運算量大大減小，也使數據比較變得容易，實驗過程和結果的顯示上形象直觀，有助于學生快速、準確地理解物理概念，也有更多的時間來對實驗進行思考和改進。這是物理與信息技術的結合。應用計算機和傳感器處理數據是新課標教材中體現的一個傾向，體現新課程的教育教學理念，也體現了DIS在物理實驗教學中的輔助功能。DIS將數字化信息系統與高中物理實驗教學進行整合，克服傳統實驗儀器的各種弊端，成功開啟物理實驗教學的數字化時代，實現了數字化 信息系統與傳統物理實驗的有效整合與超越。在教學過程中，我們應該充分發揮信息化實驗的教學功能，將DIS實驗教學系統運用到中學物理實驗教學中，增強學生的探究興趣，提高學生的信息化實驗探究能力，構筑信息化、高效化的物理課堂。

參考文獻

[1]余雪妹.高中物理DIS實驗和傳統實驗整合初探.物理教學探討，2011年第9期上半月

[2]孟小兵.DIS技術與傳統實驗的結合――機械能守恒定律的實驗教學[J].物理教學探討，2011，29（9）：53―55.

[3]張金權.DIS數字實驗系統與物理探究教學整合的策略[J].物理教學探討，2013，31（11）：56―59.