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1、现代实验技术D数字化信息系统一. 教学任务分析数字化信息系统应用传感器和数据采集器自动获取和 输入实验数据，通过计算机的快速处理得到实验的结果，提 高了教学效率，使学生可以有更多的时间用于自主探究活 动，改变传统的教学模式。学习本节内容所需准备的知识和技能主要有：匀速直线 运动物体的图像描述；位移、速度的概念；长度的测量。通过实例的测量和讨论，感受引入DIS的优点。结合“练习使用 DIS”实验，了解 DIS的构成和使用方 法，并练习测定位移传感器的测量范围，归纳得出测量的三 个组成部分。通过“用DIS测量运动物体的位移和速度”实验，初步 学会用图像描述和研究物体的运动规律，进一步理解s-t图像
2、和v-t图像的物理意义。二. 教学目标.知识与技能知道物理测量的三个组成部分。知道DIS的含义、构成和使用方法。初步学会组装 DIS，用DIS获取实验数据、处理数据和 得出实验图像。进一步理解匀速直线运动物体的s -1图像和v -1图像的物理意义。.过程与方法通过对DIS实验数据的采集、列表、作图、拟合和转换 等环节的处理过程，感受研究物理规律的科学方法和基本过 程。通过对传统仪器与 DIS测量物理量过程的类比研究，认 识物理实验的一般过程和方法。通过应用DIS对几种直线运动情况的实验研究，感受图 像法是分析和研究物理问题的有效方法之一。.情感、态度与价值观通过对传统实验仪器与 DIS传感器测
3、量物理量过程的对 比，体验数字化、信息化技术带来的革命性的变化，提高学 习兴趣和探究欲望。通过应用DIS对物体运动情况的实验研究，感悟物质运 动的多样性与复杂性，建立团结协作的意识，养成实事求是 的科学态度。三、教学重点和难点重点：熟悉DIS的构成和使用方法。难点：用DIS测量匀速直线运动物体的位移和速度。四、教学资学生实验器材：米尺，三角尺，皮尺，计算器；DIS及配套的力学轨道，小车。演示实验器材：DIS及配套力学轨道，小车。自制。五、教学设计思路本设计的内容包括三个方面：一是数字化信息系统的介绍；二是练习使用 DIS;三是用DIS测量运动物体的位移和 速度。本设计的基本思路是：以生活实际和
4、实验为基础，通过 对传统实验仪器和 DIS传感器测量物理量的比较，使学生对 DIS的构成、使用方法有感性认识和实践体验；在此基础上 利用DIS位移传感器进一步探究匀速直线运动物体的s-t图像和v-t图像的物理意义，并求出运动物体的速度。本设计要突出的重点是：熟悉DIS的构成和使用方法。方法是：通过提出“如何测量物理教科书体积，实验桌面积，教室内地面面积及运动物体在某段时间内位移”等问题创设 情景，让学生通过分组实验分析讨论传统实验仪器测量物理 量的优缺点，引出数字化信息系统测量的优越性，并介绍DIS的含义、构成和实验框图；然后通过“练习使用DIS ”分组实验，使学生熟悉DIS的构成和使用方法，
5、并通过“大家谈” 形式进行类比，得出物理测量的三个组成部分。本设计要突破的难点是：用DIS测量匀速直线运动物体 的位移和速度。方法是：以作匀速直线运动的物体为例，运 用DIS的数据采集、列表、作图、拟合功能，实时得出运动 物体的s-t图像和v-t图像，并从中求出运动物体的速度。本设计重视物理量测量的基本过程，重视培养学生的实 验技能，提高学生的实验素养。完成本设计的教学任务需 2课时。六、教学流程.教学流程图流程图说明情景实验1和设问1通过分组实验，以“用传统实验仪器测量物理教科书体 积，实验桌面积，教室内地面面积及运动物体在某段时间内 的位移”创设情景提出问题，随后让学生交流用传统测量工 具
6、测量物理量的体会。活动I和活动IIDIS实验1和大家谈通过“练习使用 DIS”学生实验，使学生熟悉DIS的构成和使用方法，并通过“大家谈”的形式，通过类比得出物 理测量的三个组成部分。活动IIIDIS 实验2通过“用DIS测量运动物体的位移和速度”实验，使学 生初步学会数据采集，列表，作图、拟合、转换等实验技能，理解匀速直线运动物体 s-t图像和v-t图像的物理意义。活动IV小结归纳通过“大家谈”的形式让学生谈谈本节课的收获和体会， 由师生共同归纳得出 DIS实验“实时、定量、快速、直观” 的特点，并进一步指出传统实验和数字化实验的整合代表了 新物理实验改革的方向；问题设计方案通过设置课后思考
7、题，进一步引导学生进行拓展联想， 鼓励学生利用DIS在课外进行进一步的探究和创新， 实现“带 着问题进课堂、带着问题出课堂”的教学设计意图。七、教学案例仓U设情景，提出问题学生分组实验一本物理教科书的体积有多大？实验桌的面积有多 大？教室内的地面面积是多少，请同学们动手测量一下？让一位同学手持卷尺的一端做直线运动，请另一位同学 通过卷尺刻度测出某段时间内该位同学运动的位移？设问：用传统测量工具测量物理量的体会是什么？小结：用刻度尺测量距离靠人眼观察、手工记录，操作 耗时费力，测量精度较低，效率不高，实时测量有一定的困 难。中学物理课程中引入了数字化信息系统，给物理量的测 量带来了革命性的变化，
8、下面简单介绍如何用现代技术手段做物理实验引入DIS，介绍概况DIS :是DigitallnforationSyste 的缩写，意为数字化 信息系统。利用现代信息技术进行实验研究，我们称做DIS实验。DIS :是 DigitallnforationSysteLaboratory的缩写，意为数字化信息系统实验室，是由“传感器+数据采集器+ 计算机”构成的新型实验系统。DIS的构成、系统框图和传感器使用方法可参考附录。实验探究，操作应用应用示例1:练习使用DIS实验冃的：熟悉DIS的使用方法实验器材：DIS ;刻度尺。实验装置：如图实验步骤：将位移传感器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连构成D
9、IS实验系统。开启数据采集器电源和位移传感器发射器部分的电源 后，打开教材专用软件，点击实验条目上的“练习使用DIS位移传感器”。将位移传感器的发射器与接收器相对放置，点击开始记 录，观察计算机界面上的数据变化，并与刻度尺的测量结果进行比较。改变接收器和发射器的相对位置，测量其可测的最大、 最小距离和角度范围如图，并将实验结果填入表格中。实验记录：位移传感器的测量范围最大距离最小范围测量角度范围大家谈：用刻度尺和 DIS位移传感器测量距离有何不 同和相同的地方？相同处：任何测量都有三个组成部分。不同处：传统实验仪器精度较低、误差较大、可重复性 较差。DIS具备“实时实验”功能，数据采集、处理和
10、分析 都由计算机完成，测量时间省、精度高，误差小，传统实验 和数字化实验的整合代表了新物理实验改革的方向。知识迁移，学以致用前面我们已经学过匀速直线运动物体的s-t图像和v-t图像，今天我们就用 DIS来研究匀速直线运动物体的运动情 况，进一步理解这两个图像。应用示例2 :用DIS测定运动物体的位移和速度实验目的：研究匀速虫线运动物体的s-t图像和v-t 图像，并从中求出物体运动的速度。实验器材：DIS、DIS配套力学轨道、小车。实验装置：实验步骤:将位移传感器的发射器固定在小车上，接收器固定在力 学轨道右端，将接收器与数据采集器相连，数据采集器与计 算机相连，构成 DIS实验系统。开启数据采
11、集器电源和位移传感器发射器部分的电源， 打开教材专用软件，点击实验条目上的“测量运动物体的位 移和速度”，屏上将出现“位移一时间”坐标。点击“开始记录”，将小车放到轨道上，令其滑下。数 据采集完成，点击“停止记录”，获得位移-时间图像，从 点的走向可以大致看出小车位移随时间变化的规律。拖动滚动条，将对应小车运动状态的s-t图像置于显示区域中间，点击“拟合”，得出位移随时间变化的曲线。点击“选择区域"按钮，在s-t图像上选择研究区域。 点击鼠标确定研究区域的“开始点”；再次点击，以确定研 究区域的“结束点"。此时在软件界面左下方的数据窗口中， 即可显示出研究区域内 s-t图线
12、的初位移、末位移、时间差、 速度的值。点击“ v-t图像"，观察研究区域内s-t图像对应的v-t 图线。大家谈：如！U实骑得到的s-t图呈曲线，V-t图像呈 非水平直线，问题的原因是什么？答：说明小车未作匀速直线运动，应调节力学轨道的倾斜度重做实验。小结归纳，理清思路让学生谈谈本节课的收获。拓展联想、课外探究你还了解哪些现代测童工具替代传统的测量工具的实例？设汁方案：DIS位移传感器在哪个测量范围内数值较为精确？设讣方案：如何用DIS位移传感器测出书本的体积，实验桌的面积？设计方案：寻找其他作匀速直线运动的物体，或者口 己制造一个可能的匀速直线运动，然后用 DIS加以检验，看 是不是
13、匀速直线运动并测出速度大小？设讣方案：运用DIS研究以下物体的运动附录：DIS的构成传感器：把实验中测量的各种物理量转换成标准的电信号，并把这些信号传递给数据采集器。DIS配备了多种传感器，详见下表。传感器名称量程分度电流传感器-1A+1A10A电压传感器-10V+10V10V微电流传感器-1卩A+1卩A/温度传感器-10 C+110C 0.1 C压强传感器 0300Pa土 0.1Pa力传感器土 20N/ ± 10N0.1N磁感应强度传感器土 15T0.1T位移传感器0200c1光电门传感器/0.01S声波传感器100Hz1Hz1s光强传感器/1G-传感器 40000cp1cp数据采
14、集器：把实验中用传感器采集到的电信号转换成 数字信号并传递给计算机。DIS数据采集器采用四路并行输入，可同时接插四种传感器。计算机：通过实验软件包中的教材专用软件和教材通用 软件，以数值显示、图表、曲线等各种方式表现实验数据， 并可根据要求对实验数据进行数据统计、数据公式计算、曲 线猜想与拟合等各种分析与处理。DIS实验系统框图：传感器使用方法简介：电流传感器：使用方法与电流表类似，使用时把电流传 感器串联在电路中。如果待测电流从电流传感器的红色线流 入，黑色线流出，显示的数值为正数；如果反接，显示的数值为负数微电流传感器：一般用于定性观察实验，其使用方法与 电流传感器类似。电压传感器：使用方
15、法与电压表类似，使用时把电压传 感器并联在电路中。如果电压传感器的红色线接到电路的高 电位端，黑色线接到低电位端，显示的数值为正数。如果反 接，显示的数值为负数。压强传感器：用于测量气体压强，其读数为绝对压强值， 无需通过大气压加以换算。使用时应保证被测气体容器与压 强传感器前端的软管连接紧密。温度传感器：使用方法类似温度计，其温度敏感元件置 于传感器金属探针的顶端，使用时要让被测物体与此处充分 接触。声传感器：声传感器的敏感器件置于传感器前端，使用 时要将其对准声源。位移传感器：由超声波发射模块和接收模块两部分构 成。使用时将位移接收模块与数据采集器连接，位移发射模 块与运动物体固定在一起，
16、或直接将其作为运动物体使用。力传感器：既可测量拉力，又可测量压力。软件中规定: 拉力的示数为正值，压力示数为负值。磁传感器：磁传感器探管前端内置磁敏元件，使用时需 接入数据采集器预热几分钟，待读数稳定后再进行测量。软件规定：当传感器的探管指向被测磁场的S极，即磁感线经传感器从探管顶端处穿出时，测量值呈正值；当传感器的探 管指向被测磁场的 N极，即磁感线从探管顶端处进入传感器 时，测量值呈负值，如图所示。示数的绝对值即为测量点处 平行于探管方向的磁感强度分量。光电门传感器：使用高精度光敏器件构成连续的光路。在已知运动物体长度的条件下，记录该物体遮挡光路的时间，即可得出物体的运动速度。下图为本市某中学利用两个光电门探究加速度与力、物体质量关系的实验装置图。