巧用传感器与数字显示模块做物理实验

尤仁才

摘   要：介绍几个利用传感器和数据显示模块所做的物理实验。利用位移传感器和数据显示模块做微小形变实验，效果直观;利用力传感器、位移传感器和数据显示模块验证胡克定律，实验误差要比利用传统实验器材的小;利用力传感器和数据显示模块来展现力的作用效果和高中物理的习题实验，可有助于学生对知识的理解。

关键词：传感器;数据显示模块;物理实验

引言

传感器的灵敏度、精确度和方便性是传统仪器所不能及的。但是在教学中，要使用传感器总要先安装软件，连接电脑，给实验操作带来极大的不方便，所以传感器的利用率很低。本文利用传感器和数据显示模块，可以避免以上不足，有利于教师在课堂上做演示实验，且能及时、方便、精确地显出数据，提高课堂效率，同时也能让学生体会数字化所带来的便利。下面介绍传感器在高中物理教学中的一些应用。

1  巧用位移传感器显示物体的微小形变

数据显示模块接入传感器，可显示出相应传感器所表示物理量的数值。

将分体式位移传感器置于水平桌面上，如图1所示。把数据显示模块接入分体式位移传感器的接收端。数据显示模块显示的数据为位移传感器发射端与接收端的距離。用手按压桌面，会发现数据发生变化，表示位移传感器的发射端与接收端间的距离发生变化，进而可说明桌面发生形变。这种微小的形变，实际上也是通过电的放大显示出来。

2  巧用传感器验证胡克定律[ 1 ]

实验装置介绍：如图2所示。

把带有数据显示模块的力传感器固定在轨道上，弹簧的一端接力传感器，另一端与装有位移传感器发射端的小车相连接，把带数据显示模块的位移传感器接收端固定在另一小车上，则可显示两辆小车的距离。

实验步骤：

（1）弹簧为原长时，清零力传感器的数据，把两辆小车分开足够大的距离，记下此时力传感器和位移传感器的数据;

（2）保持装有位移传感器接收端的小车位置不变，拉动装有位移传感器发射端的小车，弹簧被拉长，记下力传感器的数值和位移传感器的数值，重复几次，得到如表1数据。

该实验中弹簧形变量的大小为位移传感器的数值变化量。由数据可知，相比于传统的实验装置，该实验装置得到的数据更精确，误差更小，且能获得更多组数据，有利于通过画图处理数据。

3  巧用传感器显示力的作用效果

力的传感器受到拉力时，显示的数据为正，受到压力时则显示的数据为负。

实验装置介绍：如图3所示。

安装时两传感器要保证在同一竖直面，下方的力传感器装上铁杆。

实验步骤：

（1）不挂重物，按下两个力传感器的清零键，以消除传感器自身的重力影响;

（2）绳子的一端与上方的力传感器相连接，另一端挂重物，接着把绳子搭在下方力传感器的杆上。

实验结果：

上方的力传感器数据为正值，下方力传感器数据为负值。该实验现象表明重物对绳子向下的拉力，可产生两个力的作用效果：沿绳子方向斜向下的拉力和对杆的压力。

4  巧用传感器展现力的动态平衡习题中的物理实验

共点力作用下的动态平衡问题是高中阶段的重难点，有些题目重复讲了很多遍，但是学生总是掌握不好。为了让学生对该类题目有个更深刻的印象，可以通过实验将题目内容展示出来。下面以三道题为例。

【例题1】如图4，用一水平向左的力F缓慢拉动轻质绳子的中点O点，设绳子0A段受到的拉力为T，以下选项正确的是（）[ 2 ]

A、T逐渐变大，F逐渐变大

B、T不变，F逐渐变大

C、T逐渐变大，F逐渐变小

D、T逐渐变小，F逐渐变小

实验装置如图5，为了保证传感器受到的力为沿着绳子方向，传感器的接头换为可转动的“连接头”（传感器的配件）。绳子的一端与重物相连接，一端接在力传感器上，用另一个力传感器缓慢地拉动绳子中点，两个传感器都与数据显示模块相连接，则数据显示模块可显示出拉力F和绳子OA受到拉力的大小变化情况。安装完装置后，要先把两个力传感的数值清零，以消除传感器自身重力的影响。

【例题2】如图6，一轻质绳子与两杆M、N相连接，连接点为a、b。现将一衣架悬挂在绳子上，绳子不可伸长且不计摩擦。当衣架静止时，以下四个选项正确的是（     ）（2017-2018年广州乐而思中心高考物理重要考点练习卷）

A、将绳的固定点b向上移到b′，绳子的拉力变大

B、将两杆的距离拉开，绳子的拉力不变

C、改变绳两端的高度，绳子的拉力不变

D、改变悬挂物的质量，悬挂点的位置不变

解析：设绳子的拉力为F，长度为l，竖直杆M、N间的水平距离为d，绳子两部分与竖直方向的夹角分别为α和β，对物体受力分析可知：α=β，sinα=，F=。可得出结论：①绳子长度l和两杆间的水平距离d一定时，则绳子的拉力不变，绳子与竖直方向的夹角不变;②绳子长度l一定时，绳子的拉力与两杆间的距离成正关系;③悬挂点的位置与悬挂物的质量无关，绳子的拉力与悬挂物的质量成正关系。

这道题学生经常出错的原因是：结论与生活认识发生冲突，所以通过实验再现，可以帮助学生打破错误的认识。

实验装置介绍：如图7所示，把两个力的传感器分别固定在两个铁架台上，且为同一水平面。

注意点：为了消除力传感器自身重力的影响，则在未挂重物时，把两个力的传感器清零;实验过程中要确保两个拉力在同一竖直面。

图7为把绳子的右端向下移动后，观察绳子拉力的实验。结果：绳子的拉力数值不变。

图8为增大水平距离d，观察绳子拉力的实验。结果：绳子的拉力变大。

图9为增大重物的质量，观察悬挂点位置和绳子拉力变化情况的实验。结果：悬挂点位置与重物的质量无关，绳子的拉力与重物的质量成正关系。

【例题3】如图10，乙球受到一个水平向左的力F，甲球受到一个水平向右的力2F，则平衡时，该装置的位置可能为（        ）

实验装置介绍：如图11所示。

为了方便操作可以把其中一个力传感器固定在铁架台上，拉动左边的力传感器，使得右边力的传感器数值为左边数值的两倍，观察此时上下绳子的方向。教学中力的传感器也可以不用固定在铁架台上，改变左右水平拉力的大小，引导学生观察上下绳子的方向变化以及比较两段绳子与竖直方向夹角的大小。

5  总结

课堂上巧用传感器做演示实验，可以缩短实验时间，现象明显，提高课堂效率。在学生分组实验中，巧用传感器做实验比传统的实验能获得更多组数据，读数方便，误差更小。教学中的一些习题实验，也可以巧妙利用传感器来实现，从而有助于学生对知识的掌握，避免错误的认识。同时，为了跟随时代的发展，体验科技的进步，应该尽可能的在课堂上利用传感器。传感器的优势是有些传统仪器所不能比拟的。结合数字显示模块，可避免传感器使用需接电脑的不足，使用起来更加方便、高效。

参考文献：

[1] 徐小林.关于“弹力与弹簧伸长量的关系”的实验[J].新高考（高一物理），2015（10）：60.

[2] 吕艳坤.核心素养视域下的共点力动态平衡问题探析[J].物理教师，2019 （8）：87-89.