DIS实验在初中物理教学中的应用初探

沈孝兵 杨 理

(南京市育英第二外国语学校 江苏 南京 210044)

众所周知，DIS实验室即数字化信息系统 (Digital Information System Laboratory)，简称DISLab.它是由“传感器+数据采集器+实验软件包(教材专用软件、通用扩展软件)+计算机”构成的新型实验系统，DIS实验由于其精度高，效果准，操作简单，自动化程度高在高中的物理教学中已经大量应用.笔者尝试将DIS实验引入初中物理课堂，发现初中物理的部分力学、热学、电学实验也可以使用传感器来做，且相对传统实验具有以下一些优点.

1 自动化程度高操作简单

DIS实验采集、分析数据的自动化程度高，它将数据的采集、分析及绘图工作交给计算计，相对于传统实验的操作更简单.

在物态变化的教学中，笔者将普通的温度计换成温度传感器放在电水壶中，做水的沸腾实验，整个实验用时约8 min，电脑上就自动绘出了水的沸腾图像,如图1(a)所示；笔者将温度传感器放入质量约3 g的水中(水装在一个管里，以盐水冰为低温源)，探究了水的凝固规律，水的凝固图像如图1(b)所示，当水凝固成零下13℃的冰以后将它们取出放在室温环境下，又顺利地得到了冰的熔化图像如图1(c)所示，水的凝固和冰的熔化总时间不到15 min.

由此可见，相对于传统实验，DIS实验的操作更加简单方便，将学生从读数、记数据和绘图等费时的简单劳动中解放出来.传感器收集和处理好数据后，DIS 系统快速的数-图的转换能够更加清晰、明确地展示现象，揭示规律.

图1

2 计数速度快易于捕捉瞬间变化的物理量

DIS实验仪器的计数频率高，可达每秒20次，因此，传感器能捕捉到常规仪器不易捕捉的瞬间变化的物理量.

在“伏安法测小电灯的电阻”的教学中，在用电压表、电流表和滑动变阻器做完实验，并引导学生分析数据得出“灯丝的电阻与随温度的升高而增加”结论后，笔者将电流表换成电流传感器接入电路，电流传感器捕捉到了电路接通瞬间电流的变化情况,如图2所示，由图2可看出，通过灯丝的电流在0.1 s的时间内由零变到0.74 A又迅速减小为0.37 A并保持不变.从而说明灯丝的冷态电阻比正常工作时要小，很显然，电流的这种瞬间变化用普通的电流表根本就观察不到.

图2

再比如，教师常用如图3(a)所示的装置演示分子引力，在弹簧测力计下用细线吊一玻璃板，先让玻璃板水平浸没在水中，再缓缓向上拉弹簧测力计，可以发现玻璃板下表面刚要离开水面的那一瞬间测力计的示数比玻璃离开水面后的弹簧测力计示数要大.笔者将弹簧测力计换成力学传感器，再向上缓缓提起玻璃时，电脑记录下拉力的变化如图3(b)所示，传感器不但测出了力的大小，而且将玻璃板下表面离开水面的那一瞬间力的变化规律捕捉到并保存下来，从而更形象地说明了分子间存在引力.

图3

讲大气压强时，教师常用吸盘和弹簧测力计粗测大气压强的大小，如图4(a)所示，但是用弹簧测力计将吸盘从玻璃板上拉开的瞬间测力计的示数不易读取，从而产生较大的测量误差.笔者改用力学传感器拉一个直径为13 mm的吸盘(吸盘和玻璃板之间加点水以排尽盘内空气)，传感器记录下了吸盘被拉开那一瞬间的最大拉力约为11.5 N,如图4(b)所示，从而可以粗略算出大气压强约为0.85*105Pa.

由此可见，DIS实验能完成一些常规仪器不易完成的实验，能弥补常规仪器的不足，加深和拓展了传统实验，是更高层次的信息技术与传统实验的整合与应用.

图4

3 数-图转换速度快便于揭示深层物理规律和保留实验证据

DIS系统不仅能自动采集、处理数据和快速绘图，实验过后，实验的数据和图像还可以保留，便于教师向学生揭示深层物理规律和让学生进行深入的探究.

在讲解“力的作用是相互的”一节内容时，笔者用两个力学传感器对拉，电脑上出现了一个轴对称图形，如图5所示，由图5不仅可以引导学生分析作用力与反作用力的大小相等，更重要的是可以由图像看出作用力与反作用力是同时产生和同时消失的，而这一点是两只普通的弹簧测力计没法做到的.

图5

在讲到“电磁感应发电机”时，教师会用微风扇演示磁生电现象.如图6(a)所示，在微风扇的插头处接一个发光二极管，用手旋转叶片，二极管将一闪一闪地发光，笔者将二极管换成电压(或电流)传感器，用手旋转叶片，传感器记录下感应电流的大小和方向随时间发生周期性变化，如图6(b)所示，从而让学生“看”出转动微风扇(交流电动机)所发出的电是交流电.

图6

使用DIS实验的另一个好处是保留意外的实验证据，笔者有一次在探究水的凝固规律时，温度传感器记录了水的温度随时间的变化图像，如图7所示，由图7可以发现水由10℃下降到零度后并没有保持不变，而是继续下降到-8℃，然后，又上升到零度后才保持不变，此时水开始凝固，当水全部凝固成冰以后，温度又继续下降到-10℃左右.水的这种降温规律与常见的水的凝固规律不同.如果用普通的温度计做这一实验，出现这种意外现象，教师也许会当作一次失败的实验将它忽略掉.其实这是传感器意外捕获的一种比较罕见的水的过冷现象，传感器不但记录了这种变化规律，而且将这一变化规律的证据保留了下来，这是普通的液体温度计和传统实验方法所无法做到的.

图7

综上所述，DIS实验相对于传统实验具有操作简单方便、自动化程度高等很多优点.使用传感器做实验便于形成直观的、反映物理规律的图像，便于学生深入研究物理现象和规律.但笔者也发现，真正适用于初中物理教学的DIS实验并不多，因此，不能盲目乱用DIS实验，更不能抛弃传统实验.如初中的声学、光学、磁学、和大部分热学、力学、电学实验用传统的实验仪器就能完成，还能留给学生更多的动手和动脑的时间和空间，如果将它们改成DIS实验，也许适得其反.因此，必须适量、适度地使用DIS 实验，让DIS实验和传统实验相结合，充分发挥传统实验和DIS实验的优势，让DIS实验更好地为初中物理教学服务.