李俊

摘? ?要：傳感器響應(yīng)速度快，測量精度高，與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，能夠?qū)ξ锢斫虒W(xué)演示實驗進行拓展。在傳感器演示實驗中，注意傳感器這一教學(xué)素材的呈現(xiàn)，幫助學(xué)生認(rèn)識傳感器，體會傳感器的工作方式，增強學(xué)生的物理經(jīng)歷，更有利于學(xué)生理解實驗結(jié)論。

關(guān)鍵詞：傳感器;演示實驗;拱形橋

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0025-3

1? ? 基于傳感器的教學(xué)演示實驗的特點和注意事項

傳感器是借助檢測原件（敏感原件）接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將它轉(zhuǎn)化成另一種形式的信息的裝置。它獲取的可以是物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)化后的信息也有各種形式，目前大多數(shù)傳感器將獲得的信息轉(zhuǎn)化為電信號[1] 。傳感器技術(shù)擁有測量精度高、測量范圍廣、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢，把傳感器技術(shù)與物理教學(xué)相結(jié)合，合理應(yīng)用，對物理教學(xué)演示實驗將有很好的幫助和拓展作用。

傳感器技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)演示實驗，由于其自身的技術(shù)條件，相比于傳統(tǒng)物理教學(xué)演示實驗，具有明顯的特點：

1.響應(yīng)速度快，測量精度高，靈敏度高，測量范圍廣。傳統(tǒng)物理實驗中的測量工具，例如彈簧測力計、磁電式電流表、多用電表、刻度尺等實驗器材，響應(yīng)速度相對較慢，讀數(shù)過程用時較長。相反，基于傳感器的演示實驗采用傳感器技術(shù)進行測量，利用電子計算機進行運算，響應(yīng)速度更快，測量精度可以隨著技術(shù)的進步不斷提升，擁有更高的靈敏度，測量的范圍也不斷拓展，這是傳統(tǒng)實驗器材所不具備的技術(shù)優(yōu)勢。

2.與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和手段相結(jié)合，增強了學(xué)生對科學(xué)的喜愛，有利于激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

3.實驗原理體現(xiàn)得不夠明顯。在傳統(tǒng)的演示實驗中，教師使用的是傳統(tǒng)測量工具，傳統(tǒng)工具與學(xué)生實際生活接近，很容易被學(xué)生的思維所接受。在傳感器演示實驗中，學(xué)生對傳感器缺乏足夠的認(rèn)識，所能夠觀察到的是電腦上反映出來的數(shù)據(jù)，如果在教學(xué)素材的呈現(xiàn)上沒有與學(xué)生的思維相匹配，容易在教學(xué)過程中導(dǎo)致學(xué)生缺乏物理經(jīng)歷，學(xué)生會對物理實驗現(xiàn)象感到困惑。

針對傳感器演示實驗的特點，把傳感器與傳統(tǒng)演示實驗相結(jié)合，綜合兩者的特長，利用傳感器響應(yīng)速度快，測量精度高，能夠完成傳統(tǒng)實驗器材所不能完成的實驗。例如，在作用力和反作用力的課堂教學(xué)中，演示在變速運動中作用力和反作用力等大反向的實驗，傳統(tǒng)的彈簧測力計由于響應(yīng)速度慢，使其在快速移動中，不能進行讀數(shù)，因而無法完成實驗，必須由力學(xué)傳感器替代才能完成實驗。因此，我們把傳感器演示實驗應(yīng)用于物理課堂教學(xué)，能對物理課堂教學(xué)進行有效補充和拓展。但是，傳感器演示實驗也存在著實驗原理體現(xiàn)得不夠明顯的問題，如果教學(xué)素材處理不當(dāng)，容易導(dǎo)致學(xué)生在教學(xué)過程中難以體會物理經(jīng)歷。這也就要求教師在利用傳感器進行演示實驗時，注重傳感器這一物理素材的呈現(xiàn)，對傳感器的特性和使用進行足夠的鋪墊，通過對傳感器的展示和操作，讓學(xué)生建立對傳感器的基本認(rèn)知，初步體會傳感器的工作方式，才能進行演示實驗。

2? ? 基于力學(xué)傳感器實驗的拱形橋教學(xué)設(shè)計

拱形橋是高中物理學(xué)習(xí)中的一個重要知識點，也是物理學(xué)知識與實際生活相結(jié)合的重要一環(huán)，體現(xiàn)出物理教學(xué)中“物理是有趣的，物理是有用的”的教學(xué)宗旨。拱形橋作為“生活中的圓周運動”的一種運動形式，把物理學(xué)原理和生活實際相結(jié)合，把學(xué)科知識延伸到課外生活，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)原理解決生活實際問題的能力。

2.1? ? 教學(xué)目標(biāo)

1.知識目標(biāo)：（1）進一步加深對向心力的認(rèn)識，會在實際問題中分析向心力的來源;（2）培養(yǎng)學(xué)生獨立觀察、分析問題、解決問題的能力。

2.能力目標(biāo)：學(xué)會分析拱形橋等生活中圓周運動的方法，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，并掌握用牛頓第二定律分析向心力的方法。

3.情感、態(tài)度與價值觀目標(biāo)：通過向心力在具體問題中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生將物理知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實踐的意識。

2.2? ? 設(shè)計構(gòu)思

在拱形橋的傳統(tǒng)教學(xué)中，物體經(jīng)過拱形橋時，處于運動狀態(tài)，由于傳統(tǒng)實驗中的測量工具存在響應(yīng)速度慢的問題，所以對于在拱形橋上的物體，不能直接測量其對拱形橋的壓力，只能通過公式進行推導(dǎo)分析，使得教學(xué)結(jié)論的推導(dǎo)比較抽象，學(xué)生對教學(xué)結(jié)論難以理解。針對傳統(tǒng)實驗的不足，我們可以引入力學(xué)傳感器進行演示實驗。將力學(xué)傳感器應(yīng)用于演示實驗，其響應(yīng)速度足夠快，能夠滿足演示實驗的測量需求。針對傳感器實驗不夠直觀的問題，需要在教學(xué)過程中對傳感器實驗進行足夠的鋪墊，幫助學(xué)生逐步認(rèn)識力學(xué)傳感器，在這個基礎(chǔ)上完成拱形橋的教學(xué)過程。

2.3? ? 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)場境，提出問題

展示生活中拱形橋的圖片，請學(xué)生回想生活中橋梁的形狀，啟發(fā)學(xué)生思考，為什么我們生活中的橋梁要設(shè)計成拱形，而不是反過來設(shè)計成凹形？

2.實驗驗證

小球經(jīng)過凹形軌道的傳感器演示實驗（實驗裝置如圖1、圖2所示）

我們采用GQY數(shù)字實驗室提供的WL-0008力學(xué)傳感器和DAS-5104D數(shù)據(jù)處理模塊進行實驗。以凹形軌道代表凹形橋，在其底部安裝力學(xué)傳感器，測量小鋼球經(jīng)過底部時產(chǎn)生的壓力大小。

第一次實驗，不放置小鋼球，力學(xué)傳感器讀數(shù)為0。

第二次實驗，把小鋼球靜置在凹形軌道底部，用力學(xué)傳感器進行讀數(shù)，壓力大小為0.456 N，此時的讀數(shù)等于小球自身的重力。（第一、二次實驗現(xiàn)象如圖3所示）。

實驗現(xiàn)象表明：在未放置小球時，力學(xué)傳感器的讀數(shù)在0 N左右;放置小球后，力學(xué)傳感器的讀數(shù)顯示為0.45 N左右。我們用小球模擬汽車經(jīng)過凹形橋底部的場景，當(dāng)小球靜置于凹形軌道底部時，它給軌道的壓力等于自身的重力。由于傳感器測量精度較高，在實驗中，器材輕微擾動所造成的力的變化也會顯示出來，所以力學(xué)傳感器的讀數(shù)一直處于小范圍的變化狀態(tài)中。

通過兩次實驗，讓學(xué)生初步感知力學(xué)傳感器，并且從力學(xué)傳感器的圖像和讀數(shù)體會力學(xué)傳感器對力的測量和讀數(shù)方式：可以直接在屏幕上進行讀數(shù)，并可以通過圖像感知壓力大小的變化，幫助學(xué)生認(rèn)識力學(xué)傳感器，為接下來的演示實驗做鋪墊。

第三次實驗，控制小球從軌道上某一高度處滾落下來，經(jīng)過底部時，產(chǎn)生的壓力大于自身的重力，得到實驗結(jié)論：小球經(jīng)過凹形軌道底部時所產(chǎn)生的壓力大于自身的重力。（第三次實驗現(xiàn)象如圖4所示）

實驗圖像表明：小球第一次沿凹形軌道下滑到最低點時，小球?qū)壍赖膲毫_到了1.50 N，即圖像中最高點所對應(yīng)的讀數(shù)，壓力大于自身重力。利用傳感器響應(yīng)速度快的優(yōu)點，我們測出了小球經(jīng)過凹形軌道最低點時對軌道的壓力。

第四次實驗，提高釋放小球的高度，小球從軌道上滾落下來，產(chǎn)生的壓力大于第三次實驗中的壓力。由實驗圖像得到結(jié)論：經(jīng)過凹形軌道底部時，小球的速度越大，產(chǎn)生的壓力越大。（第四次實驗現(xiàn)象如圖5所示）

通過第一次實驗和第二次實驗，對力學(xué)傳感器進行簡單的操作，幫助學(xué)生認(rèn)識力學(xué)傳感器，為第三次實驗和第四次實驗做了鋪墊，增強了學(xué)生在物理實驗中的感受和體驗，使學(xué)生更加容易理解所呈現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象和結(jié)論。

由實驗現(xiàn)象得到結(jié)論：小球經(jīng)過凹形軌道的時候，產(chǎn)生的壓力會大于自身的重力，而且速度越大所產(chǎn)生的壓力越大，為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象呢？

3.情境分析

研究車輛經(jīng)過凹形橋時的場景，并進行受力分析（如圖6所示）。

經(jīng)受力分析，可得：

結(jié)論： ，車輛給凹形橋的壓力與凹形橋給車輛的支持力是一對作用力和反作用力，所以車輛經(jīng)過凹形橋底部時產(chǎn)生的壓力大于自身的重力，而且根據(jù)公式，v越大，壓力越大。

如果我們把凹形橋改成拱形橋又會出現(xiàn)什么樣的效果呢？對車輛經(jīng)過拱形橋的場景進行分析，經(jīng)過受力分析（如圖7所示），得：

由公式得到，車輛經(jīng)過拱形橋時，所需要的支持力小于自身的重力，車輛給拱形橋的壓力與拱形橋給車輛的支持力是一對作用力和反作用力，所以車輛給拱形橋的壓力小于自身的重力，而且當(dāng)速度越大時，車輛對橋面產(chǎn)生的壓力越小。

3? ? 教學(xué)反思

在物理教學(xué)中使用傳感器進行演示實驗，利用傳感器響應(yīng)速度快、測量精度高的特點，能夠完成傳統(tǒng)實驗器材所不能完成的實驗，對物理的課堂教學(xué)進行補充和拓展。但是，針對傳感器自身的技術(shù)特點，要揚長避短，發(fā)揮其響應(yīng)速度快、測量精度高的同時，也需要克服實驗原理體現(xiàn)得不明顯的問題。在演示實驗中，對傳感器進行鋪墊，幫助學(xué)生認(rèn)識傳感器，初步理解傳感器的工作方式，更好地體驗物理實驗過程，有利于學(xué)生在接下來的實驗中接受實驗現(xiàn)象，理解實驗結(jié)論。

參考文獻：

[1]郭慶龍，王林志，聶妍.傳感器在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報，2007，16（3）：104-105.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

收稿日期：2018-12-14

作者簡介：李俊（1978-），男，中學(xué)一級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)工作。