傳感器技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

摘　要:　介紹傳感器技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，早期教材中簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型傳感器和近期教材中的物性型傳感器及數(shù)據(jù)采集器。

關(guān)鍵詞:　傳感器　傳感器技術(shù)　物理實(shí)驗(yàn)

　人的五官感受客觀世界的范圍十分有限。隨著科技的發(fā)展，人們不斷地運(yùn)用各種工具和儀器延伸著自己器官的感知范圍和準(zhǔn)確度，這種工具和儀器就是傳感器。傳感器擔(dān)負(fù)著信息采集的任務(wù)，相當(dāng)于人的“五官”，在物理實(shí)驗(yàn)中，能夠?qū)⒏惺艿降奈锢砹浚纾毫Α帷⒙暋⒐廪D(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電學(xué)量，能感受各種微弱的信號(hào)，并能放大、傳輸、存儲(chǔ)、顯示或作出必要的控制輸出。在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器，不僅能突出物理學(xué)科重實(shí)際，重運(yùn)用的特點(diǎn)，而且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣。下面簡(jiǎn)單地介紹一下傳感器技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，如在早期的教材中運(yùn)用過(guò)一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型傳感器，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，新教材增加了《傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用》這一實(shí)驗(yàn)，介紹了一些物性型的敏感傳感器，在新課標(biāo)教材中，介紹了使用位置傳感器進(jìn)行的牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)，介紹了以電子傳感器作為一種獨(dú)立器件的智能型傳感器———數(shù)據(jù)采集器。

(1)在早期的教材中，介紹了一些簡(jiǎn)單的傳感器如雙金屬片。其實(shí)它是一個(gè)結(jié)構(gòu)型熱傳感器，利用構(gòu)件的移動(dòng)、伸縮等幾何尺寸與位置的變化來(lái)感知測(cè)量物理量。當(dāng)固定在一起的銅片和鐵片受熱時(shí)發(fā)生了彎曲，這樣就感知了溫度的變化，并通過(guò)位置的變化與原來(lái)的觸點(diǎn)斷開(kāi)，把溫度的變化轉(zhuǎn)化為電路電流的變化。電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器就是利用雙金屬片這種傳感器。在介紹電磁感應(yīng)時(shí)，也介紹了動(dòng)圈式的話筒，其實(shí)這種話筒里有一個(gè)聲電傳感器。在彈性膜片后面粘了一個(gè)輕小金屬線圈，線圈處于永久磁體的磁場(chǎng)中，當(dāng)聲波使膜片前后振動(dòng)時(shí)，金屬線圈感知聲波而前后振動(dòng)，因而線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。像這樣的例子在舊教材上很多，只不過(guò)沒(méi)有用傳感器這個(gè)概念表達(dá)而已。

(2)在新教材中，增加了傳感器在物理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

隨著科技的發(fā)展，擔(dān)負(fù)著信息采集任務(wù)的傳感器越來(lái)越多服務(wù)于我們的生活和工作，可以說(shuō)在當(dāng)今社會(huì)，幾乎沒(méi)有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用能夠離得開(kāi)傳感器技術(shù)的支持。在新教材中，增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)《傳感器的簡(jiǎn)單應(yīng)用》，讓學(xué)生探究了熱敏電阻阻值是如何隨溫度變化而變化，并做簡(jiǎn)單的溫度報(bào)警實(shí)驗(yàn)，利用熱敏電阻、繼電器、蜂鳴器等連成電路，當(dāng)溫度升到一定程度時(shí)，蜂鳴器鳴叫。我們把這個(gè)簡(jiǎn)單的溫度報(bào)警實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到研究焦耳定律的演示實(shí)驗(yàn)中去，在兩個(gè)容積相同的燒瓶中裝了質(zhì)量相同的煤油，瓶中各放一根電阻絲和熱敏電阻，接通電路，蜂鳴器先鳴叫的，證明溫度上升得快，電流產(chǎn)生的熱量多，這樣我們就免去看溫度計(jì)的麻煩。還探究了光敏電阻的阻值與光線變化的關(guān)系，并利用光敏電阻進(jìn)行光電計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)遮光板擋住光敏電阻時(shí)，感知元件光敏電阻感知到光信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器件，使光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字的變化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。我們可以把這種自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能應(yīng)用到單擺法測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)中去，當(dāng)擺球通過(guò)光敏電阻和發(fā)光二極管之間時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)數(shù)，省去了數(shù)數(shù)的麻煩，減少了發(fā)生錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。我們還可以向?qū)W生介紹紅外線防盜報(bào)警裝置是運(yùn)用光電傳感器制成的，走廊照明燈聲控開(kāi)關(guān)是運(yùn)用聲電傳感器等等在生活中傳感器技術(shù)的運(yùn)用，通過(guò)這些介紹，使學(xué)生感到科學(xué)的力量，激發(fā)學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。

(1) 在新課標(biāo)教材中，介紹了使用傳感器在計(jì)算機(jī)配合下完成傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)

隨著科技的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)向各領(lǐng)域的滲透和廣泛的應(yīng)用，電子傳感器正朝著集成化、智能化的方向快速發(fā)展，與電腦完美的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化。在新課標(biāo)教材里，介紹了使用位置傳感器做牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)，通過(guò)位置傳感器記錄下滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位置隨時(shí)間變化情況，由于采樣率足夠高，每秒可以達(dá)到20萬(wàn)次，因而能夠記錄下物體的瞬間變化，然后由計(jì)算機(jī)軟件算出各點(diǎn)的速度大小，并作出速度-時(shí)間圖象。運(yùn)用傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，顯示出現(xiàn)代技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，給傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)注入了新的活力，測(cè)出的數(shù)據(jù)更精確，處理數(shù)據(jù)更快。如用微機(jī)輔助高級(jí)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做單擺法測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)誤差較大，首先是秒表的操作會(huì)有誤差，另外是測(cè)量方法也帶來(lái)誤差，由于測(cè)量的是多個(gè)周期所用的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，單擺可能會(huì)變成橢圓擺，且單擺周期也發(fā)生變化，影響測(cè)量結(jié)果。利用數(shù)據(jù)采集器測(cè)量重力加速度，實(shí)驗(yàn)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)工作交由系統(tǒng)自己完成。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)將光電門(mén)放置于單擺的平衡位置，使擺線擋光，而不是擺球擋光。運(yùn)行專用軟件，設(shè)置計(jì)時(shí)方式為“時(shí)刻-隔次”。使單擺小幅擺動(dòng)，按“開(kāi)始”鍵測(cè)量，測(cè)量多組數(shù)據(jù)后停止測(cè)量。按“數(shù)據(jù)記錄”鍵，把數(shù)據(jù)記錄到表格中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并得出結(jié)果。

我們可以看到單擺每一個(gè)周期所用的時(shí)間差別非常之小，因此可以驗(yàn)證單擺具有等時(shí)性，再利用公式算出重力加速度，由于單擺的周期時(shí)間誤差小，因而重力加速度的誤差也小，顯示了采用傳感器技術(shù)做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

教育部教學(xué)儀器研究所研制的“物理實(shí)驗(yàn)微機(jī)輔助系統(tǒng)”和山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限公司的“朗威微機(jī)輔助高級(jí)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，都是利用傳統(tǒng)器做實(shí)驗(yàn)，通過(guò)傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)接口與微機(jī)連接，使微機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、分析并展示真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用它們可以完成力、熱、聲、光、電等各類(lèi)實(shí)驗(yàn)，提高測(cè)量的精度和速度，完成常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)，是深層次的信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合。使學(xué)生在掌握知識(shí)的基礎(chǔ)上，了解現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ顾麄儗W(xué)習(xí)物理的熱情和積極性得到了進(jìn)一步的提高。