傳感器技術在中學物理實驗中的應用

摘　要:　介紹傳感器技術在中學物理實驗中的運用，早期教材中簡單的結構型傳感器和近期教材中的物性型傳感器及數據采集器。

關鍵詞:　傳感器　傳感器技術　物理實驗

　人的五官感受客觀世界的范圍十分有限。隨著科技的發展，人們不斷地運用各種工具和儀器延伸著自己器官的感知范圍和準確度，這種工具和儀器就是傳感器。傳感器擔負著信息采集的任務，相當于人的“五官”，在物理實驗中，能夠將感受到的物理量，如：力、熱、聲、光轉換成便于測量的電學量，能感受各種微弱的信號，并能放大、傳輸、存儲、顯示或作出必要的控制輸出。在物理實驗中應用傳感器，不僅能突出物理學科重實際，重運用的特點，而且能激發學生學習科技的興趣。下面簡單地介紹一下傳感器技術在中學物理實驗中的運用，如在早期的教材中運用過一些簡單的結構型傳感器，隨著傳感器技術的不斷發展，新教材增加了《傳感器的簡單應用》這一實驗，介紹了一些物性型的敏感傳感器，在新課標教材中，介紹了使用位置傳感器進行的牛頓第二定律的實驗，介紹了以電子傳感器作為一種獨立器件的智能型傳感器———數據采集器。

(1)在早期的教材中，介紹了一些簡單的傳感器如雙金屬片。其實它是一個結構型熱傳感器，利用構件的移動、伸縮等幾何尺寸與位置的變化來感知測量物理量。當固定在一起的銅片和鐵片受熱時發生了彎曲，這樣就感知了溫度的變化，并通過位置的變化與原來的觸點斷開，把溫度的變化轉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。在介紹電磁感應時，也介紹了動圈式的話筒，其實這種話筒里有一個聲電傳感器。在彈性膜片后面粘了一個輕小金屬線圈，線圈處于永久磁體的磁場中，當聲波使膜片前后振動時，金屬線圈感知聲波而前后振動，因而線圈產生感應電動勢，這樣聲音信號轉換成了電信號。像這樣的例子在舊教材上很多，只不過沒有用傳感器這個概念表達而已。

(2)在新教材中，增加了傳感器在物理實驗中的運用

隨著科技的發展，擔負著信息采集任務的傳感器越來越多服務于我們的生活和工作，可以說在當今社會，幾乎沒有任何一種科學技術的發展及應用能夠離得開傳感器技術的支持。在新教材中，增加了學生實驗《傳感器的簡單應用》，讓學生探究了熱敏電阻阻值是如何隨溫度變化而變化，并做簡單的溫度報警實驗，利用熱敏電阻、繼電器、蜂鳴器等連成電路，當溫度升到一定程度時，蜂鳴器鳴叫。我們把這個簡單的溫度報警實驗應用到研究焦耳定律的演示實驗中去，在兩個容積相同的燒瓶中裝了質量相同的煤油，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，電流產生的熱量多，這樣我們就免去看溫度計的麻煩。還探究了光敏電阻的阻值與光線變化的關系，并利用光敏電阻進行光電計數實驗，當遮光板擋住光敏電阻時，感知元件光敏電阻感知到光信號發生變化，經過轉換器件，使光信號的變化轉換為電信號的變化，再轉換為數字的變化，實現了自動計數的功能。我們可以把這種自動計數的功能應用到單擺法測重力加速度實驗中去，當擺球通過光敏電阻和發光二極管之間時，實現了自動計數，省去了數數的麻煩，減少了發生錯誤的機會。我們還可以向學生介紹紅外線防盜報警裝置是運用光電傳感器制成的，走廊照明燈聲控開關是運用聲電傳感器等等在生活中傳感器技術的運用，通過這些介紹，使學生感到科學的力量，激發學習科學的興趣。

(1) 在新課標教材中，介紹了使用傳感器在計算機配合下完成傳統物理實驗

隨著科技的發展，微型計算機向各領域的滲透和廣泛的應用，電子傳感器正朝著集成化、智能化的方向快速發展，與電腦完美的結合，實現了實驗的自動化。在新課標教材里，介紹了使用位置傳感器做牛頓第二定律實驗，通過位置傳感器記錄下滑塊運動過程中位置隨時間變化情況，由于采樣率足夠高，每秒可以達到20萬次，因而能夠記錄下物體的瞬間變化，然后由計算機軟件算出各點的速度大小，并作出速度-時間圖象。運用傳感器技術和計算機進行物理實驗教學，顯示出現代技術的強大優勢，給傳統實驗注入了新的活力，測出的數據更精確，處理數據更快。如用微機輔助高級中學物理實驗系統做單擺法測重力加速度實驗，傳統實驗誤差較大，首先是秒表的操作會有誤差，另外是測量方法也帶來誤差，由于測量的是多個周期所用的時間，實驗時間長，單擺可能會變成橢圓擺，且單擺周期也發生變化，影響測量結果。利用數據采集器測量重力加速度，實驗的計時計數工作交由系統自己完成。如圖1所示，實驗時將光電門放置于單擺的平衡位置，使擺線擋光，而不是擺球擋光。運行專用軟件，設置計時方式為“時刻-隔次”。使單擺小幅擺動，按“開始”鍵測量，測量多組數據后停止測量。按“數據記錄”鍵，把數據記錄到表格中進行數據分析并得出結果。

我們可以看到單擺每一個周期所用的時間差別非常之小，因此可以驗證單擺具有等時性，再利用公式算出重力加速度，由于單擺的周期時間誤差小，因而重力加速度的誤差也小，顯示了采用傳感器技術做傳統實驗的優勢。

教育部教學儀器研究所研制的“物理實驗微機輔助系統”和山東遠大網絡多媒體有限公司的“朗威微機輔助高級中學物理實驗系統”，都是利用傳統器做實驗，通過傳感器采集實驗數據，通過接口與微機連接，使微機完成數據的采集、計算、分析并展示真實的實驗結果。用它們可以完成力、熱、聲、光、電等各類實驗，提高測量的精度和速度，完成常規儀器難以完成的實驗，是深層次的信息技術與傳統實驗的整合。使學生在掌握知識的基礎上，了解現代實驗技術和手段，培養了實驗能力，使他們學習物理的熱情和積極性得到了進一步的提高。