第一章 D 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)——數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)

1、第一章 D 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）一.教學(xué)任務(wù)分析數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）應(yīng)用傳感器和數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)獲取和輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的快速處理得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提高了教學(xué)效率，使學(xué)生可以有更多的時(shí)間用于自主探究活動(dòng)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式。學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容所需準(zhǔn)備的知識(shí)和技能主要有：（1）勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的圖像描述；（2）位移、速度的概念；（3）長(zhǎng)度的測(cè)量。通過(guò)實(shí)例（利用傳統(tǒng)測(cè)量工具測(cè)量長(zhǎng)度）的測(cè)量和討論，感受引入DIS的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合“練習(xí)使用DIS”實(shí)驗(yàn)，了解DIS的構(gòu)成和使用方法，并練習(xí)測(cè)定位移傳感器的測(cè)量范圍，歸納得出測(cè)量的三個(gè)組成部分。通過(guò)“用DIS測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度”實(shí)驗(yàn)，初步

2、學(xué)會(huì)用圖像描述和研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)一步理解s-t圖像和v-t圖像的物理意義。二教學(xué)目標(biāo)1知識(shí)與技能（1）知道物理測(cè)量的三個(gè)組成部分。（2）知道DIS的含義、構(gòu)成和使用方法。（3）初步學(xué)會(huì)組裝DIS，用DIS獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和得出實(shí)驗(yàn)圖像。（4）進(jìn)一步理解勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的s t圖像和v t圖像的物理意義。2過(guò)程與方法（1）通過(guò)對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、列表、作圖、擬合和轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的處理過(guò)程，感受研究物理規(guī)律的科學(xué)方法和基本過(guò)程。（2）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)儀器與DIS測(cè)量物理量過(guò)程的類比研究，認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)的一般過(guò)程和方法。（3）通過(guò)應(yīng)用DIS對(duì)幾種直線運(yùn)動(dòng)情況的實(shí)驗(yàn)研究，感受圖像法是分析和研究物理

3、問(wèn)題的有效方法之一。3情感、態(tài)度與價(jià)值觀（1）通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器與DIS傳感器測(cè)量物理量過(guò)程的對(duì)比，體驗(yàn)數(shù)字化、信息化技術(shù)帶來(lái)的革命性的變化，提高學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。（2）通過(guò)應(yīng)用DIS對(duì)物體運(yùn)動(dòng)情況的實(shí)驗(yàn)研究，感悟物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的多樣性與復(fù)雜性，建立團(tuán)結(jié)協(xié)作的意識(shí)，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。三、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法。難點(diǎn)：用DIS測(cè)量勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度。四、教學(xué)資源1、學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材：米尺，三角尺（或直尺），皮尺（或卷尺），計(jì)算器；DIS（位移傳感器，數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等）及配套的力學(xué)軌道，小車。2、演示實(shí)驗(yàn)器材：DIS（位移傳感器，數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等）及配套力學(xué)

4、軌道，小車。3、自制課件。五、教學(xué)設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括三個(gè)方面：一是數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的介紹；二是練習(xí)使用DIS；三是用DIS測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度。本設(shè)計(jì)的基本思路是：以生活實(shí)際和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器和DIS傳感器測(cè)量物理量的比較，使學(xué)生對(duì)DIS的構(gòu)成、使用方法有感性認(rèn)識(shí)和實(shí)踐體驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上利用DIS位移傳感器進(jìn)一步探究勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的s-t圖像和v-t圖像的物理意義，并求出運(yùn)動(dòng)物體的速度。本設(shè)計(jì)要突出的重點(diǎn)是：熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法。方法是：通過(guò)提出“如何測(cè)量物理教科書(shū)體積，實(shí)驗(yàn)桌面積，教室內(nèi)地面面積及運(yùn)動(dòng)物體在某段時(shí)間內(nèi)位移”等問(wèn)題創(chuàng)設(shè)情景，讓學(xué)生通過(guò)分組實(shí)

5、驗(yàn)分析討論傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量物理量的優(yōu)缺點(diǎn)，引出數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）測(cè)量的優(yōu)越性，并介紹DIS的含義、構(gòu)成和實(shí)驗(yàn)框圖；然后通過(guò)“練習(xí)使用DIS”分組實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法，并通過(guò)“大家談”形式進(jìn)行類比，得出物理測(cè)量的三個(gè)組成部分。本設(shè)計(jì)要突破的難點(diǎn)是：用DIS測(cè)量勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度。方法是：以作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體為例，運(yùn)用DIS的數(shù)據(jù)采集、列表、作圖、擬合功能，實(shí)時(shí)得出運(yùn)動(dòng)物體的s-t圖像和v-t圖像，并從中求出運(yùn)動(dòng)物體的速度。本設(shè)計(jì)重視物理量測(cè)量的基本過(guò)程，重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。完成本設(shè)計(jì)的教學(xué)任務(wù)需2課時(shí)。六、教學(xué)流程活動(dòng)IIIDIS實(shí)驗(yàn)2

6、活動(dòng)IV小結(jié)歸納問(wèn)題設(shè)計(jì)方案DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖活動(dòng)IDIS實(shí)驗(yàn)1活動(dòng)II大家談情景實(shí)驗(yàn)1設(shè)問(wèn)11教學(xué)流程圖2、流程圖說(shuō)明情景 實(shí)驗(yàn)1和設(shè)問(wèn)1通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)，以“用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量物理教科書(shū)體積，實(shí)驗(yàn)桌面積，教室內(nèi)地面面積及運(yùn)動(dòng)物體在某段時(shí)間內(nèi)的位移”創(chuàng)設(shè)情景提出問(wèn)題，隨后讓學(xué)生交流用傳統(tǒng)測(cè)量工具測(cè)量物理量的體會(huì)?；顒?dòng)I和活動(dòng)II DIS實(shí)驗(yàn)1和大家談通過(guò)“練習(xí)使用DIS”學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法，并通過(guò)“大家談”的形式，通過(guò)類比得出物理測(cè)量的三個(gè)組成部分?；顒?dòng)III DIS實(shí)驗(yàn)2通過(guò)“用DIS測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度”實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)采集，列表，作圖、擬合、轉(zhuǎn)換等實(shí)驗(yàn)技

7、能，理解勻速直線運(yùn)動(dòng)物體s-t圖像和v-t圖像的物理意義。活動(dòng)IV 小結(jié)歸納通過(guò)“大家談”的形式讓學(xué)生談?wù)劚竟?jié)課的收獲和體會(huì)，由師生共同歸納得出DIS實(shí)驗(yàn)“實(shí)時(shí)、定量、快速、直觀”的特點(diǎn)，并進(jìn)一步指出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的整合代表了新物理實(shí)驗(yàn)改革的方向；問(wèn)題 設(shè)計(jì)方案通過(guò)設(shè)置課后思考題，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展聯(lián)想，鼓勵(lì)學(xué)生利用DIS在課外進(jìn)行進(jìn)一步的探究和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)“帶著問(wèn)題進(jìn)課堂、帶著問(wèn)題出課堂”的教學(xué)設(shè)計(jì)意圖。七、教學(xué)案例（一）創(chuàng)設(shè)情景，提出問(wèn)題學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)1、一本物理教科書(shū)的體積有多大？實(shí)驗(yàn)桌的面積有多大？教室內(nèi)的地面面積是多少，請(qǐng)同學(xué)們動(dòng)手測(cè)量一下？2、讓一位同學(xué)手持卷尺的一端做直線運(yùn)

8、動(dòng)（單向或雙向運(yùn)動(dòng)都可），請(qǐng)另一位同學(xué)通過(guò)卷尺刻度測(cè)出某段時(shí)間內(nèi)該位同學(xué)運(yùn)動(dòng)的位移？設(shè)問(wèn)：用傳統(tǒng)測(cè)量工具測(cè)量物理量的體會(huì)是什么？小結(jié)：用刻度尺測(cè)量距離靠人眼觀察、手工記錄，操作耗時(shí)費(fèi)力，測(cè)量精度較低，效率不高，實(shí)時(shí)測(cè)量有一定的困難。中學(xué)物理課程中引入了數(shù)字化信息系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DIS），給物理量的測(cè)量帶來(lái)了革命性的變化，下面簡(jiǎn)單介紹如何用現(xiàn)代技術(shù)手段做物理實(shí)驗(yàn)。（二）引入DIS，介紹概況1、DIS：是Digital Information System的縮寫(xiě)，意為數(shù)字化信息系統(tǒng)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，我們稱做DIS實(shí)驗(yàn)。2、DIS：是Digital Information System La

9、boratory的縮寫(xiě)，意為數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，是由“傳感器數(shù)據(jù)采集器計(jì)算機(jī)（裝有實(shí)驗(yàn)軟件包）”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。3、DIS的構(gòu)成、系統(tǒng)框圖和傳感器使用方法可參考附錄。（三）實(shí)驗(yàn)探究，操作應(yīng)用應(yīng)用示例1：練習(xí)使用DISl 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜IS的使用方法l 實(shí)驗(yàn)器材：DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等）；刻度尺。l 實(shí)驗(yàn)裝置：如圖l 實(shí)驗(yàn)步驟：（供參考）（1）將位移傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連構(gòu)成DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。（2）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集器電源和位移傳感器發(fā)射器部分的電源后，打開(kāi)教材專用軟件，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)條目上的“練習(xí)使用DIS位移傳感器”。（3）將位移傳感器的發(fā)射器與接收器相對(duì)

10、放置，點(diǎn)擊開(kāi)始記錄，觀察計(jì)算機(jī)界面上的數(shù)據(jù)變化，并與刻度尺的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。（4）改變接收器和發(fā)射器的相對(duì)位置，測(cè)量其可測(cè)的最大、最小距離和角度范圍如圖，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表格中。發(fā)射器接收器實(shí)驗(yàn)記錄：位移傳感器的測(cè)量范圍最大距離（cm）最小范圍（cm）測(cè)量角度范圍（）l 大家談：用刻度尺和DIS位移傳感器測(cè)量距離有何不同和相同的地方？相同處：任何測(cè)量都有三個(gè)組成部分。探測(cè)器記錄，處理和顯示被測(cè)對(duì)象不同處：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器精度較低、誤差較大、可重復(fù)性較差。DIS具備“實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)”功能，數(shù)據(jù)采集、處理和分析都由計(jì)算機(jī)完成，測(cè)量時(shí)間省、精度高，誤差小，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的整合代表了新物理實(shí)驗(yàn)改革的方向

11、。（四）知識(shí)遷移，學(xué)以致用前面我們已經(jīng)學(xué)過(guò)勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的s-t圖像和v-t圖像，今天我們就用DIS來(lái)研究勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)一步理解這兩個(gè)圖像。應(yīng)用示例2：用DIS測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度l 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯縿蛩僦本€運(yùn)動(dòng)物體的s-t圖像和v-t圖像，并從中求出物體運(yùn)動(dòng)的速度。l 實(shí)驗(yàn)器材：DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等）、DIS配套力學(xué)軌道、小車。l 實(shí)驗(yàn)裝置：研究勻速直線運(yùn)動(dòng)裝置圖l 實(shí)驗(yàn)步驟：（供參考）（1）將位移傳感器的發(fā)射器固定在小車上，接收器固定在力學(xué)軌道右端（軌道稍傾斜，使小車能做勻速直線運(yùn)動(dòng)），將接收器與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，構(gòu)成DIS實(shí)驗(yàn)

12、系統(tǒng)。（2）開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集器電源和位移傳感器發(fā)射器部分的電源，打開(kāi)教材專用軟件，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)條目上的“測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的位移和速度”，屏上將出現(xiàn)“位移時(shí)間”坐標(biāo)。（3）點(diǎn)擊“開(kāi)始記錄”，將小車放到軌道上，令其滑下。數(shù)據(jù)采集完成，點(diǎn)擊“停止記錄”，獲得位移時(shí)間圖像，從點(diǎn)的走向可以大致看出小車位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。（4）拖動(dòng)滾動(dòng)條，將對(duì)應(yīng)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的s-t圖像置于顯示區(qū)域中間，點(diǎn)擊“擬合”，得出位移隨時(shí)間變化的曲線。（5）點(diǎn)擊“選擇區(qū)域"按鈕，在s-t圖像上選擇研究區(qū)域。點(diǎn)擊鼠標(biāo)確定研究區(qū)域的“開(kāi)始點(diǎn)”；再次點(diǎn)擊，以確定研究區(qū)域的“結(jié)束點(diǎn)"。此時(shí)在軟件界面左下方的數(shù)據(jù)窗口中，即可顯示出

13、研究區(qū)域內(nèi)s-t 圖線的初位移、末位移、時(shí)間差、速度的值。（6）點(diǎn)擊“v-t圖像"，觀察研究區(qū)域內(nèi)s-t圖像對(duì)應(yīng)的v-t圖線。l 大家談：如果實(shí)驗(yàn)得到的s-t圖呈曲線，v-t圖像呈非水平直線，問(wèn)題的原因是什么？答：說(shuō)明小車未作勻速直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)調(diào)節(jié)力學(xué)軌道的傾斜度重做實(shí)驗(yàn)。（五）小結(jié)歸納，理清思路讓學(xué)生談?wù)劚竟?jié)課的收獲（包括知識(shí)性的、能力性的、興趣等方面）。（略）（六）拓展聯(lián)想、課外探究l 你還了解哪些現(xiàn)代測(cè)量工具替代傳統(tǒng)的測(cè)量工具的實(shí)例？l 設(shè)計(jì)方案：DIS位移傳感器在哪個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)數(shù)值較為精確？l 設(shè)計(jì)方案：如何用DIS位移傳感器測(cè)出書(shū)本的體積，實(shí)驗(yàn)桌的面積？l 設(shè)計(jì)方案：尋找其他

14、作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體，或者自己制造一個(gè)可能的勻速直線運(yùn)動(dòng)，然后用DIS加以檢驗(yàn)，看是不是勻速直線運(yùn)動(dòng)并測(cè)出速度大小？l 設(shè)計(jì)方案：運(yùn)用DIS研究以下物體的運(yùn)動(dòng)sS0tsSt0sSt0tsSt0sS0tttsS0ttsS0t附錄：1、DIS的構(gòu)成（以DISLabV5.0為例）（1）傳感器：把實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的各種物理量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，并把這些信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集器。DIS配備了多種傳感器，詳見(jiàn)下表。傳感器名稱量 程分 度電流傳感器-1A+1A10mA電壓傳感器-10V+10V10mV微電流傳感器-1A+1A/溫度傳感器-10+1100.1壓強(qiáng)傳感器0300kPa±0.1 kPa力傳感器&#

15、177;20N/±10N0.1N磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器±15mT0.1mT位移傳感器0200cm1mm光電門傳感器/0.01mS聲波傳感器100Hz1KHz1ms光強(qiáng)傳感器/1mmG-M傳感器40000cpm（最大計(jì)數(shù)率）1cpm傳感器和數(shù)據(jù)采集器（2）數(shù)據(jù)采集器：把實(shí)驗(yàn)中用傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給計(jì)算機(jī)。DIS數(shù)據(jù)采集器采用四路并行輸入，可同時(shí)接插四種傳感器。（3）計(jì)算機(jī)（裝有實(shí)驗(yàn)軟件包）：通過(guò)實(shí)驗(yàn)軟件包中的教材專用軟件和教材通用軟件，以數(shù)值顯示、圖表、曲線等各種方式表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)公式計(jì)算、曲線猜想與擬合等各種分析與處理

16、。2、DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖：計(jì) 算 機(jī)數(shù) 據(jù) 采 集 器傳 感 器計(jì) 算 機(jī)數(shù) 據(jù) 采 集 器傳 感 器教材專用軟件教材通用軟件力傳感器聲傳感器溫度傳感器壓強(qiáng)傳感器位移傳感器電流傳感器電壓傳感器微電流傳感器磁感強(qiáng)度傳感器光電門傳感器光強(qiáng)傳感器G-M傳感器DIS系統(tǒng)構(gòu)成3、傳感器使用方法簡(jiǎn)介： （1）電流傳感器：使用方法與電流表類似，使用時(shí)把電流傳感器串聯(lián)在電路中。如果待測(cè)電流從電流傳感器的紅色線流入，黑色線流出，顯示的數(shù)值為正數(shù)；如果反接，顯示的數(shù)值為負(fù)數(shù)。（2）微電流傳感器：一般用于定性觀察實(shí)驗(yàn)，其使用方法與電流傳感器類似。（3）電壓傳感器：使用方法與電壓表類似，使用時(shí)把電壓傳感器并聯(lián)在電路中

17、。如果電壓傳感器的紅色線接到電路的高電位端，黑色線接到低電位端，顯示的數(shù)值為正數(shù)。如果反接，顯示的數(shù)值為負(fù)數(shù)。（4）壓強(qiáng)傳感器：用于測(cè)量氣體壓強(qiáng)，其讀數(shù)為絕對(duì)壓強(qiáng)值，無(wú)需通過(guò)大氣壓加以換算。使用時(shí)應(yīng)保證被測(cè)氣體容器與壓強(qiáng)傳感器前端的軟管連接緊密。（5）溫度傳感器：使用方法類似溫度計(jì)，其溫度敏感元件置于傳感器金屬探針的頂端，使用時(shí)要讓被測(cè)物體與此處充分接觸。（6）聲傳感器：聲傳感器的敏感器件置于傳感器前端，使用時(shí)要將其對(duì)準(zhǔn)聲源。（7）位移傳感器：由超聲波發(fā)射模塊和接收模塊兩部分構(gòu)成。使用時(shí)將位移接收模塊與數(shù)據(jù)采集器連接，位移發(fā)射模塊與運(yùn)動(dòng)物體固定在一起，或直接將其作為運(yùn)動(dòng)物體（如振子、落體等）使用。（8）力傳感器：既可測(cè)量拉力，又可測(cè)量壓力。軟件中規(guī)定：拉力的示數(shù)為正值，壓力示數(shù)為負(fù)值。（9）磁傳感器：磁傳感器探管前端內(nèi)置磁敏元件，使用時(shí)需接入數(shù)據(jù)采集器預(yù)熱幾分鐘，待讀數(shù)穩(wěn)