沈孝兵 楊 理

(南京市育英第二外國語學(xué)校 江蘇 南京 210044)

眾所周知，DIS實驗室即數(shù)字化信息系統(tǒng) (Digital Information System Laboratory)，簡稱DISLab.它是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包(教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件)+計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)，DIS實驗由于其精度高，效果準(zhǔn)，操作簡單，自動化程度高在高中的物理教學(xué)中已經(jīng)大量應(yīng)用.筆者嘗試將DIS實驗引入初中物理課堂，發(fā)現(xiàn)初中物理的部分力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)實驗也可以使用傳感器來做，且相對傳統(tǒng)實驗具有以下一些優(yōu)點.

1 自動化程度高操作簡單

DIS實驗采集、分析數(shù)據(jù)的自動化程度高，它將數(shù)據(jù)的采集、分析及繪圖工作交給計算計，相對于傳統(tǒng)實驗的操作更簡單.

在物態(tài)變化的教學(xué)中，筆者將普通的溫度計換成溫度傳感器放在電水壺中，做水的沸騰實驗，整個實驗用時約8 min，電腦上就自動繪出了水的沸騰圖像,如圖1(a)所示；筆者將溫度傳感器放入質(zhì)量約3 g的水中(水裝在一個管里，以鹽水冰為低溫源)，探究了水的凝固規(guī)律，水的凝固圖像如圖1(b)所示，當(dāng)水凝固成零下13℃的冰以后將它們?nèi)〕龇旁谑覝丨h(huán)境下，又順利地得到了冰的熔化圖像如圖1(c)所示，水的凝固和冰的熔化總時間不到15 min.

由此可見，相對于傳統(tǒng)實驗，DIS實驗的操作更加簡單方便，將學(xué)生從讀數(shù)、記數(shù)據(jù)和繪圖等費時的簡單勞動中解放出來.傳感器收集和處理好數(shù)據(jù)后，DIS 系統(tǒng)快速的數(shù)-圖的轉(zhuǎn)換能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示規(guī)律.

圖1

2 計數(shù)速度快易于捕捉瞬間變化的物理量

DIS實驗儀器的計數(shù)頻率高，可達(dá)每秒20次，因此，傳感器能捕捉到常規(guī)儀器不易捕捉的瞬間變化的物理量.

在“伏安法測小電燈的電阻”的教學(xué)中，在用電壓表、電流表和滑動變阻器做完實驗，并引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)得出“燈絲的電阻與隨溫度的升高而增加”結(jié)論后，筆者將電流表換成電流傳感器接入電路，電流傳感器捕捉到了電路接通瞬間電流的變化情況,如圖2所示，由圖2可看出，通過燈絲的電流在0.1 s的時間內(nèi)由零變到0.74 A又迅速減小為0.37 A并保持不變.從而說明燈絲的冷態(tài)電阻比正常工作時要小，很顯然，電流的這種瞬間變化用普通的電流表根本就觀察不到.

圖2

再比如，教師常用如圖3(a)所示的裝置演示分子引力，在彈簧測力計下用細(xì)線吊一玻璃板，先讓玻璃板水平浸沒在水中，再緩緩向上拉彈簧測力計，可以發(fā)現(xiàn)玻璃板下表面剛要離開水面的那一瞬間測力計的示數(shù)比玻璃離開水面后的彈簧測力計示數(shù)要大.筆者將彈簧測力計換成力學(xué)傳感器，再向上緩緩提起玻璃時，電腦記錄下拉力的變化如圖3(b)所示，傳感器不但測出了力的大小，而且將玻璃板下表面離開水面的那一瞬間力的變化規(guī)律捕捉到并保存下來，從而更形象地說明了分子間存在引力.

圖3

講大氣壓強時，教師常用吸盤和彈簧測力計粗測大氣壓強的大小，如圖4(a)所示，但是用彈簧測力計將吸盤從玻璃板上拉開的瞬間測力計的示數(shù)不易讀取，從而產(chǎn)生較大的測量誤差.筆者改用力學(xué)傳感器拉一個直徑為13 mm的吸盤(吸盤和玻璃板之間加點水以排盡盤內(nèi)空氣)，傳感器記錄下了吸盤被拉開那一瞬間的最大拉力約為11.5 N,如圖4(b)所示，從而可以粗略算出大氣壓強約為0.85*105Pa.

由此可見，DIS實驗?zāi)芡瓿梢恍┏Ｒ?guī)儀器不易完成的實驗，能彌補常規(guī)儀器的不足，加深和拓展了傳統(tǒng)實驗，是更高層次的信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的整合與應(yīng)用.

圖4

3 數(shù)-圖轉(zhuǎn)換速度快便于揭示深層物理規(guī)律和保留實驗證據(jù)

DIS系統(tǒng)不僅能自動采集、處理數(shù)據(jù)和快速繪圖，實驗過后，實驗的數(shù)據(jù)和圖像還可以保留，便于教師向?qū)W生揭示深層物理規(guī)律和讓學(xué)生進(jìn)行深入的探究.

在講解“力的作用是相互的”一節(jié)內(nèi)容時，筆者用兩個力學(xué)傳感器對拉，電腦上出現(xiàn)了一個軸對稱圖形，如圖5所示，由圖5不僅可以引導(dǎo)學(xué)生分析作用力與反作用力的大小相等，更重要的是可以由圖像看出作用力與反作用力是同時產(chǎn)生和同時消失的，而這一點是兩只普通的彈簧測力計沒法做到的.

圖5

在講到“電磁感應(yīng)發(fā)電機”時，教師會用微風(fēng)扇演示磁生電現(xiàn)象.如圖6(a)所示，在微風(fēng)扇的插頭處接一個發(fā)光二極管，用手旋轉(zhuǎn)葉片，二極管將一閃一閃地發(fā)光，筆者將二極管換成電壓(或電流)傳感器，用手旋轉(zhuǎn)葉片，傳感器記錄下感應(yīng)電流的大小和方向隨時間發(fā)生周期性變化，如圖6(b)所示，從而讓學(xué)生“看”出轉(zhuǎn)動微風(fēng)扇(交流電動機)所發(fā)出的電是交流電.

圖6

使用DIS實驗的另一個好處是保留意外的實驗證據(jù)，筆者有一次在探究水的凝固規(guī)律時，溫度傳感器記錄了水的溫度隨時間的變化圖像，如圖7所示，由圖7可以發(fā)現(xiàn)水由10℃下降到零度后并沒有保持不變，而是繼續(xù)下降到-8℃，然后，又上升到零度后才保持不變，此時水開始凝固，當(dāng)水全部凝固成冰以后，溫度又繼續(xù)下降到-10℃左右.水的這種降溫規(guī)律與常見的水的凝固規(guī)律不同.如果用普通的溫度計做這一實驗，出現(xiàn)這種意外現(xiàn)象，教師也許會當(dāng)作一次失敗的實驗將它忽略掉.其實這是傳感器意外捕獲的一種比較罕見的水的過冷現(xiàn)象，傳感器不但記錄了這種變化規(guī)律，而且將這一變化規(guī)律的證據(jù)保留了下來，這是普通的液體溫度計和傳統(tǒng)實驗方法所無法做到的.

圖7

綜上所述，DIS實驗相對于傳統(tǒng)實驗具有操作簡單方便、自動化程度高等很多優(yōu)點.使用傳感器做實驗便于形成直觀的、反映物理規(guī)律的圖像，便于學(xué)生深入研究物理現(xiàn)象和規(guī)律.但筆者也發(fā)現(xiàn)，真正適用于初中物理教學(xué)的DIS實驗并不多，因此，不能盲目亂用DIS實驗，更不能拋棄傳統(tǒng)實驗.如初中的聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、和大部分熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)實驗用傳統(tǒng)的實驗儀器就能完成，還能留給學(xué)生更多的動手和動腦的時間和空間，如果將它們改成DIS實驗，也許適得其反.因此，必須適量、適度地使用DIS 實驗，讓DIS實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，充分發(fā)揮傳統(tǒng)實驗和DIS實驗的優(yōu)勢，讓DIS實驗更好地為初中物理教學(xué)服務(wù).