校本课程数字化实验

目 前 第一节物理数字化实验的基本原理和特 第二节物理数字化实验系统的组 第三节传感 第四节常用物理量传感 第五节附录：物理数字化实验系统常用传感 课外活 第二 第一节朗威DISLabV6.0软 第二节朗威DISLabV6.0通用软 第三章物理数字化实 第四章课外物理数字化实 第二 第三章物理数字化实 前言“传感器”对大多数同学来说可能很陌生，也许是第一次听说到，其实传感器早已出现在的活，于边用里想场器么能显示所购商品的重量和所需金额（图1）？为什么医院里电子测温仪在额头一照就能立即测出其体温（图2）？为什么在漆黑的楼道中楼道灯会听到人的脚步声而自动亮灯（图）？ 图 图现在我们以智能机器人（4）从外界获取信息的途径皮肤等感觉，生理医学证明了正是这些感觉产生的电信号沿着各自的神经系统传入大脑，经大脑处理后形成相应的感觉。对照人类，智能机器人的“大脑”是在一台高性能的计算机，计算机的物理结构决定了外界获取信息只能以电信号（电压或电流）：的光信号必须转换为电信号才能被机器人“看到”形成视觉，同样外界的声信号必须转换为电信号才能被机器人“听到”形成听觉，以此类推。智能机器人必须有一种能够将非电信号转换成电信号的器件，这种器件我们统称为传感器。人类我们就需要传感器来扩展延伸人类的感知范围，有时传感器又称为“电五官”4现代传感器（图5）发挥的作用是巨大的，在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来获取准确可靠的信息，监视和控制生产过程中的各个参数，控制现代基础学科研究中，往往需要具有重要作用的各种极 5现代工业传感器外形 图 图传感器在中学物理实验中也大有用武之地（图6），在实验软件的配合下，我们识，积累的科学知识会使你受益。第一章数字化实验系统及传感器第一 物理数字化实验的基本原理和特传统的物理实验中，使用的各种测量仪器都需要由人来读数，将结果记录在纸上，然后用做和线说做验的都。这近十几年来，一种称为“数字化信息系统”的实验系统在中学物理教学中广泛应用，该系统的英文全称“DigitalInformationSystemLaboratory”,其本质是一种集现代教育和科研为一体的计算机辅助物理实验。它将与传统的物理测量有机地结合起来，计算机辅助物理实验可以使从繁琐的测量和计算中解放出来集中精力于物理规律的探究，它提供了一条利用信息化提高物理学习质量与研究解决物理问题能力的崭第二 物理数字化实验系统的组图 问题与练习第三 传感传感器按CB7665—87的定义是：“能感受规定的被测物理量并按照一定的图2 图3、图4是力传感器和声传感器的实物图。图3：力传感器 3.1说，它将传感器的信号以USB传输方式传输到计算机，并能按照实验操作者的要求接如图6为朗威DISLabV6．0器，图7中器与计算机以USB方式通信。朗威DISLabV6．0器共有四个传感器并行输入接口，最多可同时接插四种不图 图7USB通讯插第四 常用物理量传感图8：力传感 在多用半导体材料制成。这种传感器的工作原理如图11所示：弹簧钢制成的悬臂元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉图10应变片实 (右图1)体在温度上升时导电增强()，因此可以用半导体材料属到阻过金属管内导热硅脂，再通过封装片传递到铂电阻，从而引起热敏电阻的阻值发生变化，描述磁场强弱的物理量叫做磁感应强度，在国际单位中磁感应强度的单位是特斯拉简称特，符号T。地球磁场在地面附近的磁感应强度约105特，条形磁铁磁极附近的磁感应强度约103至102特。1879年物理学家E.H.霍尔观察到：在均分布的磁场中放置一个矩形金属导体，当磁场方向体d有以下关系：U

RHIBI保持不变时，电压UbaB。当磁传感器探测管(15)B发生变化时，通过霍尔元件，转换成电压Uba的变化，从而通过Uba的测量而得出磁感应强度B值。常用的一种光敏电阻器，例如硫化镉光敏电阻，利用硫化镉的电阻率与所受光照的强度有关的特点，把硫化镉涂敷在绝缘板上，在其表面再用银浆涂敷两个互不相连的栅状电极(图6)问题与练习输入（感受）可能的工作原理气体传感器第五 附录：物理数字化实验系统常用传感

量程：1A～ 量程：1A～ 位移传感器（由红外线发射端、接收端两大部分组成有效测距0～光电门传感器（测量挡光时间20N～量程200C10光强传感器辐射传感器（G-M传感器量程：0～40000c声传感器（覆盖各种常见声源量 50Hz～课外活动有关传感器的有很多，下面介绍两个供上网搜索时参考。第二 物理数字化实验软a0操作专业软件是灵活运用数字化物理实验系统的基本前提，也能为进一步依托此平台创新第一 朗威 软捷图标(1)，进入初始界面(2)。朗威DISLabV6.0软件简软件应用实例：感 4图5研究匀速直线运动软件界当获得速度—时间(st)图线如图6所示时，表明此 按钮，以便在st图线上选择研究区域。示出研究区域内st图线的初位移、末位移、时间差、速度的值，见图8图 vt图测量超重或失重状态下的钩码拉力悬挂的钩码如图10所示，用手紧握力传感器牵引钩码使之在竖直方向点击软件，启用“超重失重”程序，点击“开始记录”后停顿片刻拉动钩码。实验完成后观察实验图像(11)，

问题与练习第二 朗威DISLabV6.0通用软朗威DISLabV6.0通用软件从本质上说是一个功能比较齐全的智能化实验处理通用软件的基本功能图 传感器窗板中显示方式按钮，将窗口切换为“示波”、“指针”显示。(13)数据记录与计算 X轴Y轴所代表的物理量可以随意选择，既可选取“物理量---2.2.1⑴工作状 是否正常工作状态，正常工作时图标为“”，当计算机无法与软件自动恢复上的通讯B、确认计算机USB通讯接口是否工作正常⑵控制面板开关控制面板开关图标为 ”，用于控制“控制面板”是否隐藏，点击后图标中 ⑶数据通道控制⑷⑸⑹⑺启 与停 ⑻运动，采用“I”型挡光记录下的时间从边缘1开始挡光开始到边缘2停止挡光结束“Ⅱ”型挡光记录下的时间自边缘1扪光开始至边缘3挡光结束。采用“单摆”记录下的光被挡的次数。软件默认的是“I型”挡光片。在使用两个光电门传感器时，经常不仅需要测量挡光片通过每个光电门传感器时的挡光时间，而且需要测出挡片经过两因此在计算表格功能中特设立了计算“挡光片经过两光电门时间”的特殊变量，其使用方法见“计算表格”。Ⅰ Ⅱ ⑽ 传感器数据窗口21⑵采样频率因为器采用隔点的方式，即每隔一定时间一次数据，所以有必根据被测物理量信号频率的高低，对的采样频率进行调整，以保证真实体现信号的每种传感器接入后，软件都设置了默认的采样频率(表 要请按照“采样频率等于被测信号频率的5-10倍”的原则进行调整。力磁5⑶鼠标右键功能计算表格

中“计算表格”图标，可打开如图24所示的计算表格窗囗。该窗口支图24依次接入温度、力、电流、压强传感器时的计算表格窗囗算。系统默认代码名规则为“物理量英文缩略+通道序列号”，图中T1、F2、I3、力磁IUITFtsPBAVNsm

表2物理量英文缩略有“手动“和”自动“两种方式将实验数据记入表格。手动记录是指点击“点击”按钮，都能将当前数据以数据列的形式记入表格中光电门传感器除外)菜(0.0s～60s)，然后点击“开始”，即可按照此设定的间隔将数据自动记录到表格内，同时记录各个数据对应的时刻(t)25

25“变量”按钮，弹出添加变量口如图26所示。26添加变量格复字符不宜太长，最好为单个字母，也可由“字母+数字”构成，但不能采用“数字十字母”的方式。输入变量名后，如果变量值是常量，在“默认数值”栏中输入数值，点击“确定”，计算表格中将显示该变量列和数值；如果变量值不是常量，点击“确定”，计算表格，。若使用两个光电门传感器，有时不仅需要测量每个光电门传感器的挡光时间，而且需要测出挡光片在两光电门传感器之间运行的时间。因26所示窗口内，特设定了计算“挡光片经过两公式格中，命名为12或t21⑶实验中经常需调用数据列中数据计算获得测量的物理量，这时要建立“表达式列数点位数可以按需手动设置，见图28。2829所示的窗口。须在该窗口中确立公式中变对应表格中的变量s1，则直接点击s1所在的单元格；公式中变量t对应表格中的变量t计算结果，见图30。 图29选择对应 图30计算结②运算符号、函数和变量的代码组成。例如定义新变量S2=S1*S1，见图3131 Pi3.例题：10个/秒，建立一个v22as的表达列，其中常数a9.8。点击桌面“DIS”图标点击“通用软件”点击 传感器的计算表格窗囗，见图32。。见图点击图32窗囗左中部蓝色边框区域内“变量”按钮，弹出变量窗囗后，分别输入变量名称和默认数值,按“确定”钮。见图34。囗中的“自定义公式”按钮后，在“公式代码”栏内输入V^2，在“公式表达式”栏内输要求：位移采样频5个/秒，调用公式库建立速度表达列；并自定义方式建立质量M和动能表达列。动能表达式E1mv2，质量m=1.5kg。2⑷点击“绘图”，弹出“选择绘图数据”窗口，通过下拉菜X轴和Y轴分别代⑸删除用左键点某行最边的单元格(秩序列)中用左键点击某列最上方的单元格(代码行)，即可选要删的。用弹软件提供了基于实测数据(含计算表格内的所有数据)进行描点、绘图 中“”组合图线图标。弹出图37所示的窗囗，右侧为绘图窗口，左

图37组合图线点击“添加”，将弹出如图38所示的窗口，用于设定图线参数并38图线设置窗囗X、Y(图)目前工作传感器所测的物理量名称以外，还设有“时间”选项，用于显示“物理量--时间”关系。yf(x的图像。此功能常用于需图像对比的实验，如“力的相互作用”实验。 图39离散点曲 图40连续点曲对实验结果的影响。点击“锁定”后，按钮变为“”。点击“”，即可解除对图线▲停止后，组合图线控制面板中涉及图线分析的功能即被激活。图线分析功能包括察，对其分布规律做出一个初步判断，然后用拟合加以验证。41拟合函囗下方按“选择区域”按钮，将随光标移动的竖虚线移至区域的起始位置，点击的二次多项式拟合，选择了有效拟合区域，得出的拟合图线与该段实验图线吻合极好，可以推断该段图线具有明显的二次多项式特征(图4)乎（图4 图42选择拟合区域的拟合曲 图43没有选择拟合区域的拟合曲“x的值，即图线上任一点的斜率，并描绘出“导数---处理”，在下拉菜单中点击“积分”，即可得出积分值(44)44平均值用于计算“物理量—时间”图线上某—时间段内纵轴代表的物理量的算术平均问题与练习第三 物理数字化实计算机及信息控制与管理等现代技术与(见图1)。但是，它们对实验的总体要求还是相明才智，大胆动手实践，突破传统实验的限制，取得比以往实验更高精度下实验结果实验一：探究作用力与反作用力的关系实验方案设计：弹簧测力计常规实验方案把AB两个弹簧测力计连接在一起，B的一端固定，用手拉测力计A2所示，看到两个测力计的指针同时移动，测力计A受到B的拉力F，测BA的拉FFF2探究运动中两物体间的作用力和反作用力之间的关系，把一只力传感器系在一个物体上，另一只握在手中，通过传感器施力拉物体运动(图4)图3力传感器测作用力与反作用 图4运动中的作用力与反作实验数据处理：示同一时刻力的测量值（5）。图 注意：点击“开始记录”后，必须先点击“传感器调零”，再用力拉传感器。分析实验数据：移动鼠标，在数据窗口中记录任意时刻的两力大小实验拓展：手握力传感器钩住一个砝码（50克～100克），记录传感器随人快速下蹲过程中的实验二：探究自由落体运动规律的理想落体运动模型际生活中，只要质量不太小体下落高度不太高，其运动可近似为自由落体运动。著名物理学家伽利略在实验设备极其简陋的条件下，以精湛的实验技能，借助严谨的逻辑推理，揭示自由落体是一种速度随时间均匀增加的直线运动，同时也创造了一套对近代科学的发展极为有利的科学方法。实验基本思路所谓掌握物体运动规律，从物理学角度就是解决：①任一时刻体出现在那里？（位移与时间的关系）②物体运动有多快？（时间的关系）。探究自由落体运动规律可以从探究运动位移实验方案设计：6 6落 落实验数据处理 实 频50Hz,启动“绘图”功能，设X轴、Y轴分别t”与S”，得出一组St”数据曲线，点击“拟合”，尝试运用各种函数拟合，选择一条与数据点重合程度图 数据点分 图 对蓝色的位移图像作一次“求导”处理，得到红色的速度随时间变化关系图像（图 问题与练习实验三：探究气体等温变化的规律实验基本思路实验方案设计：把一段空气拄封闭在玻璃管中，确保实验过程中它的质量不会变化。实验中如果空气柱体积是缓慢变化，能与周围大气充分进行热交换，它的温度就会大致等于环境温度，在不太长的实验时间内保证不会有明显的变化。空气柱的压强P可以从仪器上方的气压计读出，V可以在玻璃管侧的刻度尺上读出，在数字针(图1)图11数字化气体等温变化实 实验数据记录与处理；体积成反比呢?这个猜想可以通过图像来检验。为了方便验证猜想，在记录压强P和体积V的基础上，不妨增加两个变量JP1⑵bV

,为绘制图像提供的选择打开“计算表格”，增加变量“V”表示注射器的体积，拉动注射器的活20ml处，手动输入V值点击记录方式测量并压强P值(体积改变后应稍停片刻，再点击测量压强，为1码定义JPV；以b为公式代码定义b V启X轴、Y轴分别为“V”与“P”，得出一组“PV”数据XY轴分别为”b”与“P”，得出—组-P”数据点曲线。点击“拟合”，(注意：传感器接出的软管内部容积大约有1ml，输入计算机的气体体积数据应为“注射器读数+1”(ml))如果完成了一个温度下的等温变化过程的实验，保持原密封气体不变，可尝试一下将注射器浸泡在热水或冷水中，更高或更低的温度下再PV坐标中比较两次不同温度下所测的等温线有什么不同？有没有规律性的新发实验四：探究物体冷却的规律在物体向外散热的冷却过程中，可以用物体降低的温度T与所用时间t之比t表小、物体周围介质导热性能的好坏及物体温度T与环境温度之差(t等多种因素的影实验的基本思路：物体的冷却速率是受多种不同因素的影响，但仔细分析一下每作用。按这法，我们可以本实验研究的基本目标确定为：探究特定物体的冷却速率与它和周围环境温度差(T的定量关系。实验方案设计：需直接测量物理量应是：物体温度T，环境温度t，推算测量温差(tT实验步 实验数据记录与处理；按变化率的定义理解，以温差T为纵轴，时间t为横轴的直角坐标系中的图线切线斜为温差变化率t。数学上将求图线切线斜 根据实验的目的，需记录物体温度T、环境温度、温差(tT设tt时刻的温度为T1tt时刻的温度为T2，TT2 实验条件：室温 t1234567890水温温差①在计算表格窗口建立环境温度（室温）列和温差的变量表达列②绘制水t1为纵轴，时间t为横轴的温度变化图线，并“锁 ④绘制冷却速率d/dt为纵轴，温差tc为横轴用“拟合”功能，尝试用不同函数拟合，找出拟合程度最好的函数关系，写出具体的函数实验图线的分析① 相关性好。从直观上看，图线的形状(凸凹、升降)与数据点的分布趋势一致，并且所有能体现与客观实际相符合的物理意义。例如，对于冷却速率与温差的关系，所选取你的实验结果与牛顿冷却定律相符合吗?有人认为，牛顿冷却定律仅在物体与环境温度差很小(约10℃以内)的情况下才近似地图13不同表面物体的散热冷却速率比较研究问题与练习（选做）若在“探究物体冷却的规律”实验时环境温度（室温）发生明显变化，测实验五：观察电容器的充电和放电板电容器图14)。这两个金属板叫做电容器的极板。物理学上用电容C表征电容器电荷能法拉(F)。U

图14电容器实物及符号如图16所示，用导线把充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷中和，电容器 图15电容器充电电 图16电容器放电电实验基本思路：实验方案设计：电路加接一个适当阻值的电阻。电流传感器频率可设置为1000赫兹(周期秒)1000F的电解电容，电阻30K 实验数据处理：

图 启动“绘图”功能，设定X轴、Y轴分别tIIt”数据实验拓展： 阻R110k，R220k重复实验，估图 （提示：恒qItIt图像与时间t轴Q成的面积为放电电流所通过的电量，也就是电容器所的电量。图像与时间t QU问题与练习实验六：测量通电螺线管内部的磁感应强度图 实验基本思路中通电螺线管内部磁场比较弱，数量级在103T实验方案设计：通电螺线管内部磁场分布图（Bs图像）。实验过程：图 l、将磁传感器接入得到通电螺线管内部的磁感应强度与相对距离关系图线(图 骤 实验拓展：BI成正相关的关系。这种正相关的关系是否是正比关系，可实验七：用线圈研究电磁感应现象19世纪物理学家曾对“将磁转变为电”了进行探索性研究，但均未能取得实质性进 的法拉第从1822年起即致力于“把磁转变为电”的研 图 实验基本思路实验方案设计：“示波”显示方式观察感应电流的是否存在。实验装置图26所示。

图 实验装置 手持单匝线圈，在U形磁铁形成的磁场中沿不同方向运动，观察指针或波形变化情况（参考图像27）图 问题与练习第四 课外物理数字化实中学物理学习若仅限于课堂的教学是远远不够的，研究性学习的课题研究为同学的高升子是：OX中学在五十多年里出了五位的奥秘据该校的教师说他们物理教育的成功就是引导鼓励学生提出问题，而且学生也做到一些简单明了的传统仪器能够胜任的实验，则坚决用传统仪器，毕竟它更能直观体现物理力提倡运用传感器数字化信息处理，对未知的物理领域进行多角度的感知和多视角的课题一：研究建筑石材的放射性[注体指石的对的超辐内指源形的气人而造射自惟射体进入人的呼吸系统能诱发肺癌；另外，氡对脂肪有很高的亲和力，从而影响人的神经系统为了防止放射性元素含量过高的石材进入我们的环境，我国早在1993标准的石材，其使用范围不受限制；符合B类标准但不符合A类标准的石材，不宜用做居C类石材只可用于建筑物的外饰面或二、课题研究的参考流程项 剂 砖制居 泥土、空 吸烟20支／天 胸部X光片(向胶片投影 三、传感器及实验参考方案1所示的传感器是辐射（放射性）传感器，简称G-M1辐射（放射性）“软件”中的“检测物质的放射性”程序，那么在开始计数后，计算机屏上每隔1分钟会蹭跳出一个狭长矩形，表示在这1分钟内接收到的入射性粒子的数目。2：检测红砖的放射强度图 图3中下部的绿域，表示没有放射源传感器所记录下的微弱辐射，这种辐射来自 四、课题拓展辐射传感器（G-M传感器）具有探测放射射线及测定放射强度的功能，凡涉及放射性课题二：研究微波炉的微波辐射次的微波。这种肉眼看不见的微波，能食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运烹饪速度比其它炉灶快4至10倍，热效率高达80%以上。目前，其它各种炉灶的热效率无图 课题三：研究光源的发光特性们注视着电脑显示屏找寻各种信息时，你是否想过：这些形形的光源发出的光有何特0.1秒时，我们的眼睛是运用光传感器通过器与计算机连接，就可以用它来测量各种发光体的发光特性，二 及处频闪频率mWcm2⑵小灯泡对照射物的照度E与距离R的关系：R E(mWcm2RE①日光灯和白炽灯的发光为什么是闪烁的?②电视机屏幕发光闪烁的频率是多少?这与什么有关系?为什么有的厂家说它生产的电(2)小灯泡对照射物的照度E与距离R的关系课题四：测量打点计时器的打点间隔时间6V50Hz0.02s打一个点。

图 又例如，不装纸带打点时，振针是会与下面的金属托板发生直接碰撞的，设想将振针请仔细分析，设计一个测量的具体实验方案，并动手做一下，对比多种测量方二、问题与思考图 图 课题五：研究电梯的运动加速度三、①②

有条的话测量8研究性学习参考课题研究性学习评价表课题名称 写成时 55 传感器在研究性学习中的运用案例蓄电池性能的影响因素及其改进方法的研究摘温度和放电条件是在实际使用中最容易变化也起伏最大的外界因素，它们都对电池性能有一、温度对蓄电池的影响515秒各读一次数。而蓄电池在放电过后，会有很 实验结论：

二、负载对蓄电池性能的影响因此要人为地给蓄电池制造波动很大的放电电流模仿实际工作条件，此时，普通和简单负载已不能满足，这就要求有更进一步的仪器与。实验中的电压电流变化使用DIS(数字信息处理系统)作全程，而对于负载的控制，我们自行设计了可调脉冲发生器

大电流时(认为 以上时电池趋于正常状态)，随电流加