对物理传统实验与传感器整合的研究

摘要：物理传统实验存在诸多的不足，在实际教学过程中遇到不少的难题。以传感器技术和数字电路为基础，结合计算机软件，对传统实验器材进行优化、改进。利用实时的数据、图像，更加直观呈现实验结果，揭示物理规律，使实验教学过程取得更好的效果。

关键词：传统实验 传感器 整合

1 背景

物理学是一门以实验为基础的科学。从某种意义上说，实验教学的效果直接影响物理教学的质量。目前大多数中学的实验器材都是使用几十年的老式设备。虽然经过不断的改进，但传统的实验器材还是存在诸多先天的不足。首先，实验精度有限，测量误差较大，数据测量实时性差，实验现象观测存在困难，使得很多实验的开展受到限制。不少传统实验主要以验证性为主，只做定性的分析，实验的可信度低，很多探究性实验无法实际深入开展。其次，每个传统实验往往需要由多种器材组合使用，操作繁琐，实验过程较长，实验数据需要由学生进行复杂的数学运算才能得到结论。往往没有足够的时间对实验进行分析、评价、拓展，实验的教学效果受到一定的影响。

2 传感器技术的优势

传感器技术作为当今世界令人瞩目的一种高新技术，是当代科学技术发展的一个重要标志。传感器技术面向教育领域的应用也成为一种趋势。传感器技术的出现使得传统实验的改革有了可能。目前传统实验过程中测量的物理量对应的传感器技术是比较成熟的。比如弹簧秤可以使用电阻应变式力传感器替代，位移测量可以采用超声波测距传感器，加速度测量也有可以直接测量的加速度传感器……

利用传感器技术对传统实验进行改进，测量精度、测量范围大大提高，实现了实时测量，还可以测量许多传统器材无法实现的物理量。使实验过程中的变化更为明晰、现象更为清楚，而且从定量的角度反映实验过程中的变化，改变传统的教学模式及学习方式。基于传感器技术和数字电路能把简单、机械的实验操作过程交由仪器自动完成。实验过程节省了大量时间，大大减少人工操作带来的实验误差。丰富的传感器类型，便捷的操作手段使实验有更多拓展的空间。学生可以根据自己兴趣从生活中出发，开展探究性课题研究。而传统实验器材就极大限制这类活动的开展。传感器技术作为传统实验的辅助手段，保留了传统实验的优势，寻求传感器技术与传统实验整合的最佳点。而不是简单的取代传统实验。这样实验器材和教师、学生才能实现更好的互动，更充分发挥实验在教学中的作用。

3 传统实验与传感器整合案例分析

3．1向心力演示仪

利用传统向心力演示仪探究向心力 F与 m 、 w 、 r的关系时，需要人工转动皮带。这样存在着转速不均，皮带容易打滑等现象。没有办法直接测量出 F ， w的大小，只定性分析 F与 w 、 r的关系，学生对向心力公式的推导缺乏实际数据的支持，可信度低。

运用传感器技术对传统的向心力演示仪做了以下改进：使用电机带动，利用电路实现对电机的调速。使用在转盘上嵌入磁铁，利用霍尔传感器直接测量转盘的角速度。使用力传感器测量向心力大小，由绳子拉球代替原来的球压杆的模型。利用单片机采集霍尔传感器、力传感器的数据，经处理在数码管上直接显示对应角速度和向心力的大小。并预留与计算机的通信端口，既可以单独代替传统实验仪器演示，也可以配合计算软件采集、分析实验数据。经过改进后，实验过程只需要调节转速旋钮，向心力和角速度的数值可以直接显示，节省了大量实验操作时间，留给学生更多探究、思考的空间。

3．2滑动摩擦力实验仪。

传统探究滑动摩擦力大小的决定因素的实验中，需要用到弹簧秤，铺上各种不同材料的木板，可以放钩码的木块。学生初次接触时，操作难度较大，经常导致实验失败。对物理规律的认识和知识结构的的建立产生一定的障碍。虽然改进实验方法，拉动木板而使木块和弹簧秤静止，虽然读数稳定些，由于弹簧秤本身精度有限，实验误差较大。虽然是探究性的实验，实际操作中却更多的是在验证滑动摩擦力公式。滑动摩擦力与其他许多因素的关系用传统的实验器材无法得到满意的结论。比如探究滑动摩擦力与相对运动速度的关系，无法定量测量相对运动速度。

使用传送带代替人工拉动木板，传送带由电机带动，可以调节速度和测量转速。使用力传感器测量滑动摩擦力的大小，力传感器固定在水平支架上，使得测量值更加准确、稳定。通过数码管直接显示对应的数据，还可以实现与计算机通讯，结合相应软件，利用图像等方法更科学有效得到结论。经过探究得出实验结论后，可以进一步应用结论解决实际问题。比如利用结论来测量某一未知重物的重量。利用改进后的实验器材能使学生体验到真正意义上的探究。

3．3自感演示仪

传统实验使用小灯泡做为演示的对象，根据通电、断电的瞬间小灯泡亮度的变化说明电路电流的变化情况。灯泡的亮度与电流的大小关系无法建立直接的对应，也无法演示电流的方向。对于出现灯泡闪亮一下的现象，从传统实验分析很多学生较难理解。实验过程现象不够明显，可靠性较差，很难让学生真正认识到自感现象。

可以在传统实验电路的基础上串接一个电流传感器，通过实时采集电流数值并描绘成 I-t图像。根据图像，可以很好反映自感现象的全过程，使学生对自感现象有了准确、全面、深刻的认识。

四、结语

传感器技术弥补传统实验的不足，革新了物理实验方法，很好拓展实验内容。利用传统实验与传感器技术整合，更加突出物理学科重应用、重实际的特点，对激发学生学习兴趣和培养学生动手能力提高综合素质发挥重要作用。通过对教学实践的跟踪分析，基于传感器技术的教学在常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入等方面具有良好效果。在推进传统实验与传感器整合的过程中，物理教师发挥举足轻重的作用。做为物理教师应该努力提升自身实验教学的基本素质，以适应新背景下实验教学的要求。不断推进传感器技术与传统实验的更好的融合，使高中物理实验教学能更适合目前中国的国情，适合当前教师教育教学需要，适合学生素质发展的需求。

参考文献：

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