用dis力的合成實驗裝置

1. 如圖1所示為「用DIS（位移感測器、數據採集器、計算機）研究加速度和力與質量的關系」的實驗裝置．（1）

（1）研究加速度和力與質量的關系，需先控制一個物理量不變，採用的研究方法是控制變數法．
（2）①由圖線OA段可知，a與F的圖線是傾斜的直線，可知質量一定的情況下，加速度與合外力成正比．
②因為圖線的斜率表示物體的質量，AB段明顯偏離直線，此時小車的質量不再遠大於鉤碼的質量，斜率為鉤碼和小車總質量的倒數．
（3）研究加速度與小車質量的關系，若作出a-M圖線，圖線是曲線，無法得出a與M的定量關系，應該作a-

1

M

圖線，圖線為過原點的直線，說明a與M成反比．
故答案為：（1）控制變數法，（2）①質量一定的情況下，加速度與合外力成正比，②沒有使小車質量遠大於鉤碼質量．
（3）a-

1

M

2. 如圖所示，是用DIS實驗系統探究物體的加速度與力和質量的關系實驗裝置。 （1）為了使小車所

（1）傾斜平衡摩擦力 （2）

3. 在「用DIS探究牛頓第二定律」的實驗中，裝置如圖（a）所示．（1）本實驗是通過______來改變對小車的拉力

（1）通過改變鉤碼的個數可以改變對小車的拉力；通過位移感測器測得小車的v-t圖象，v-t圖象的斜率等於小車的加速度．
（2）由圖（b）所示a-

1

M

圖象可知，圖象不過原點，在橫軸上有截距，這是由於：軌道傾斜，左端偏高或小車與軌道間的摩擦偏大造成的，故BD正確；
故答案為：（1）改變鉤碼的個數；圖象的斜率；（2）BD．

4. 關於「用DIS探究牛頓第二定律」的實驗（1）如圖1是本實驗的裝置圖，圖中①是位移感測器的______部分，②

（1）發射器固定在小車上，接收器應該固定在軌道上．
所以圖中①是位移專感測器的發射器部分，②屬是位移感測器的接收器部分．
本實驗通過控制變數法研究加速度與力、質量的關系，所以
通過改變懸掛鉤碼的個數來改變對小車的拉力，通過在小車上加配重片來改變小車的質量．
（2）從上圖中發現直線沒過原點，當F≠0時，a=0．也就是說當繩子上有拉力時小車的加速度還為0處於靜止，說明小車的摩擦力與繩子的拉力抵消呢．該組同學實驗操作中遺漏了平衡摩擦力這個步驟．
所以造成圖中直線不過坐標原點的原因是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．
a=

F?f

m

a-F圖線的斜率的倒數即物體的質量，
所以m=

1

k

=0.77kg
故答案為：（1）發射器、接收器、改變懸掛鉤碼的個數、在小車上加配重片．
（2）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足、約0.77．

5. 力的合成與分解實驗步驟

實驗目的
驗證共點力的合成定則。
實驗原理
共點力的合成與分解符合力的平行四邊形定則。
實驗器材
朗威DISLab、計算機、DISLab力的合成分解實驗器、鉤碼（5.76N）、小細繩等（見圖4-1）。

圖4-1 DISLab力的合成分解實驗器
實驗裝置圖
見圖4-2。

圖4-2 實驗裝置
實驗過程與數據分析
1．將兩只力感測器分別接入數據採集器，將DISLab力的合成分解實驗器通過十字轉接器固定在鐵架台上；
2．按照圖4-2將兩力感測器固定在DISLab力的合成分解實驗器的掛臂上，力感測器測鉤指向實驗器力矩盤的圓心，且與力矩盤中心垂線呈45°夾角，兩力感測器測鉤延長線相互垂直；
3．將兩條細繩拴在測鉤上，細繩的另一端在力矩盤的圓心處打結拴在一起；
4．觀察軟體中兩個力感測器窗口，點擊「調零」，使感測器窗口示數為0；
5．在細繩的打結處向下方引出另一細繩，並掛上鉤碼；
6．調整實驗器的力矩盤，使掛鉤碼的細線與力矩盤下方的0°重合；
7．打開「計算表格」，定義變數「g」為常量5.76，定義變數「q」代表角度值，使用「點擊記錄」，記錄所測數據；
8．順時針轉動力矩盤，在轉動角度分別為10°、20°、30°、45°時，依次記錄所測數據並輸入對應的角度值；
9．點擊「公式」，考慮到角度與弧度的換算關系，輸入自由表達式「F5＝g*Cos（（45-q）*pi/180）」，表示「F1的理論值」；輸入自由表達式「F6＝g*Sin（（45-q）*pi/180）」，表示「F2的理論值」；
10．比較實測值與理論值，發現二者接近（見圖4-3），驗證了力的合成定則。

圖4-3 力的合成實驗結果
建議：
1．在表格中輸入實測值與理論值的相對誤差計算公式，觀察計算結果。
2．可以接入第三隻力感測器替代鉤碼的重力，重新做上述實驗。
3．調整力感測器在DISLab力的合成分解實驗器掛臂上固定方向，用實驗器附帶的滾軸替換測鉤，使用配套的標准木塊，即可進行力的分解實驗（圖4-4）。

6. 「用DIS研究加速度與力的關系」的實驗裝置如圖（a）所示．實驗中通過增加鉤碼的數量，多次測量，可得小車

（1）由圖象可知，當F=0時，a≠0．也就是說當繩子上沒有拉力時小車就有加回速度，該同學實驗操作中答平衡摩擦力過大，即傾角過大，平衡摩擦力時木板的右端墊得過高．
所以圖線①是在軌道右側抬高成為斜面情況下得到的．
（2）圖線②是在軌道水平時做的實驗，由圖象可知：當拉力等於0.5N時，加速度恰好為零，即剛好拉動小車，此時f=F=1N，
根據F=ma得a-F圖象的斜率k=

1

m

，由a-F圖象得圖象斜率k=

6?3

1

=3，所以m=

1

3

kg，則
μ=

f

mg

＝

1

1 3 ×10

＝0.3；
（3）隨著鉤碼的數量增大到一定程度時圖（b）的圖線明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是所掛鉤碼的總質量太大，而我們把用鉤碼所受重力作為小車所受的拉力，所以消除此誤差可採取的簡便且有效的措施應該測量出小車所受的拉力，即在鉤碼與細繩之間放置一力感測器，得到力F的數值，在作出小車運動的加速度a和力感測器讀數F的關系圖象，或減少實驗中所掛鉤碼的質量，使其應遠小於小車的總質量，故BD正確．
故選：BD．
故答案為：（1）①；（2）0.3；（3）BD；

7. 怎樣用DISLab系統來製作向心力演示器實驗

「感測器及其工作原理」教學設計

江蘇省靖江高級中學 陳斌 環晴

【教材】普通高中課程標准實驗教科書《物理》選修3－2第六章第一節

【教學目標】

1．知識與技能

了解什麼是感測器，知道非電學量轉化為電學量的技術意義；

認識一些製作感測器的元器件，知道這些感測器的工作原理。

2．過程與方法

通過對實驗的觀察、思考和探究，讓學生在了解感測器、熟悉感測器工作原理的同時，經歷科學探究過程，學習科學研究方法，培養學生的觀察能力、實踐能力和創新思維能力。

3．情感、態度與價值觀

體會感測器在生活、生產、科技領域的種種益處，激發學生的學習興趣，拓展學生的知識視野，並加強物理與STS的聯系。通過動手實驗，培養學生實事求是的科學態度、團隊合作精神和創新意識。

【設計思路】

從上世紀八十年代起，國際上出現了「感測器熱」，感測器在當今科技發展中有著十分重要的地位。新課程標准緊扣時代脈搏，對感測器教學提出明確要求。本課的設計思路是通過對實驗的觀察、思考和探究，了解什麼是感測器，感測器是如何將非電學量轉換成電學量的，感測器在生產、生活中有哪些具體應用，為學生利用感測器製作簡單的自控裝置作一鋪墊。教學時力避深奧的理論，側重於聯系實際，讓學生感受感測器的巨大作用，進而提高學生的學習興趣，培養學生熱愛科學的情感和崇尚科學的精神。

【教學過程】

一、引入新課

教師：今天我們生活中常用的電視、空調的遙控器是如何實現遠距離操縱的？樓梯上的電燈如何能人來就開，人走就熄的？工業生產中所用的自動報警器、恆溫烘箱是如何工作的？「非典」病毒肆虐華夏大地時，機場、車站、港口又是如何實現快速而准確的體溫檢測的？所有這些，都離不開一個核心，那就是本堂課將要學習的感測器。

二、新課教學

1．什麼是感測器

演示實驗1：如圖1所示，小盒子的側面露出一個小燈泡，盒外沒有開關，當把磁鐵放到盒子上面，燈泡就會發光，把磁鐵移開，燈泡熄滅。

教師提問：盒子里有怎樣的裝置，才能實現這樣的控制？

學生猜測：盒子里有彈性鐵質開關。

師生探究：打開盒子，用實物投影儀展示盒內的電路圖（圖2），了解元件「干簧管」的結構。探明原因：當磁體靠近干簧管時，兩個由軟磁性材料製成的簧片因磁化而相互吸引，電路導通，干簧管起到了開關的作用。

教師點撥：這個裝置反過來還可以讓我們通過燈泡的發光情況，感知干簧管周圍是否存在著磁場。

演示實驗2：教師出示一隻音樂茶杯，茶杯平放桌上時，無聲無息，提起茶杯，茶杯邊播放悅耳的音樂，邊閃爍著五彩的光芒。

教師提問： 音樂茶杯的工作開關又在哪裡？開啟的條件是什麼？

學生猜測：在茶杯底部，所受壓力發生改變。

實驗探究：提起茶杯，用手壓杯的底部，音樂並沒有停止。

學生猜測：是由於光照強度的改變。

實驗探究：用書擋住底部（不與底部接觸），音樂停止，可見音樂茶杯受光照強度的控制。

師生總結：現代技術中，我們可以利用一些元件設計電路，它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等非電學量，並能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷。我們把這種元件叫做感測器。它的優點是：把非電學量轉換為電學量以後，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了。

教師提問：實驗1中的干簧管是怎樣的感測器，實驗2音樂茶杯中所用的元件又是怎樣的感測器？

學生回答：干簧管是一個能感受磁場的感測器，音樂茶杯中所用的元件是能感受光照強度的感測器。

教師介紹：數字化信息系統實驗室（Digital Information System Laboratory，簡稱：DISLab）

就是由「感測器+數據採集器+實驗軟體包+計算機」構成的新型實驗系統。該系統成功克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術與物理教學的全面整合，在實驗上收到了許多意想不到的成功。

投影展示：

圖3 DISLab系統構成

演示實驗3：通過朗威DISLab數據採集器、位移感測器來觀察簡諧振動圖象。

圖4 彈簧振子實驗裝置圖

圖5 彈簧振子振動圖線

2、認識一些製作感測器的元器件

（1）光敏電阻

學生實驗1：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測量一隻光敏電阻的阻值，實驗分別在暗環境和強光照射下進行。

學生總結實驗結果：光敏電阻在暗環境下電阻值很大，強光照射下電阻值很小。

師生總結：光敏電阻能夠把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量。

教師簡單介紹：光敏電阻在光照射下電阻變化的原因。有些物質，例如硫化鎘，是一種半導體材料，無光照時，載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變好。

（2）熱敏電阻和金屬熱電阻

教師提問：金屬導體的導電性能與溫度有關嗎？關系如何？

學生回答：金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大，如白熾燈鎢絲的電阻在正常工作情況下比常溫下的電阻大得多。

演示實驗4：如圖6所示，AB間接有一段鎢絲（從舊日光燈管中取出），閉合開關，燈泡正常發光，當用打火機給鎢絲加熱時，燈泡亮度明顯變暗。

學生探究：鎢絲的電阻隨溫度的升高而增大。

師生總結：用金屬絲可以製作溫度感測器，稱為熱電阻。如前面已經學過的用金屬鉑可製作精密的電阻溫度計。

學生實驗2：學生兩人一組，用萬用電表的歐姆擋測一隻熱敏電阻的阻值。第一次直接測量，第二次用手心捂住熱敏電阻再測量，記錄兩次測得的電阻值。

學生探究：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小，且阻值隨溫度變化非常明顯。

師生總結：半導體熱敏電阻也可以用作溫度感測器。

師生總結比較：金屬熱電阻與熱敏電阻都能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。

（3）霍爾元件

教師介紹：霍爾元件是在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上，製作4個電極E、F、M、N而成（如圖7所示）。若在E、F間通入恆定的電流I，同時外加與薄片垂直的勻強磁場B，薄片中的載流子就在洛倫茲力的作用下發生偏轉，使M、N間出現電壓U。

師生討論：霍爾元件的上的電壓U與電流I、磁感應強度B的關系，設霍爾元件長為a，寬為b，厚為d，則當薄片中載流子達到穩定狀態時，，即，又因，所以，即（為霍爾系數）。因此，我們就可以根據電壓U的變化得知磁感應強度的變化。

師生共析：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。

演示實驗5：利用朗威DISLab數據採集器、霍爾元件觀察通電螺線管內部磁感應強度的大小分布規律。

圖8 磁感應強度測定的實驗裝置圖

圖9 磁感應強度分布圖線

三、小結

感測器是指一些能把光、力、溫度、磁感應強度等非電學量轉化為電學量或轉換為電路的通斷的元器件，它在生活、生產和科技領域有著非常廣泛的應用。日本把感測器技術列為上世紀八十年代十大技術之首，美國把感測器技術列為九十年代的關鍵技術，而我國有關感測器的研究和應用正方興未艾……

四、作業

1．觀察與思考：日常生活中哪些地方用到了感測器，它們分別屬於哪種類型的感測器，它們的工作原理如何？

2．實驗設計：用熱敏電阻、繼電器等器材設計一個火警報警器。

【教學反思】

本節課依據學生的認知規律組織教學，引入新課從生活實例入手，設置懸念，提出問題，激發學生興趣，增強學生的求知慾；在進行「什麼是感測器」的教學中注重實驗探究，引導學生從兩個實驗的探究中加以歸納，並通過DISLab系統顯示感測器的優越性，讓學生了解把非電學量轉化為電學量的技術意義；在對光敏電阻、熱敏電阻和熱電阻、霍爾元件這些製作感測器的元器件教學中，注重將教師演示實驗與學生動手實驗相結合，注重理論與實踐相結合。整個教學過程符合新課程的三維目標，體現新課程的理念，注意培養學生的自主、合作、探究能力，注意從生活走向物理，從物理走向生活，以此增進學生的學習能力和科學素養。

8. 如圖所示是在「用DIS實驗系統研究機械能守恆定律」的實驗裝置，完成下列有關問題：（1）本實驗中，採用的

（1）本實驗，採用光電門感測器來測量瞬時速度，通過 v= d t 來測出速度，從而求出動能． （2）先專選取零勢屬能面再進行實驗，這樣不同位置的重力勢能才有確定的值，而擺錘動能與重力勢能之和值與零勢能的位置有關，但不論零勢能的位置在何處，動能與重力勢能的之和卻始終為常數，不過常數值不同而已． （3）根據表格的數據，可得機械能的值在減小，則說明存在除重力以外的力做功，即摩擦阻力做功． 故答案為：（1）光電門；（2）無；（3）擺錘在擺動過程中存在一定的阻力

9. 在「用DIS研究加速度與力的關系」的學生實驗中，實驗裝置圖如下所示． （1）本實驗採用了______感測器（

（1）本實驗採用了位移感測器，代替了打點計時器，用DIS可以測小車的加速度． （2）①a圖線中當F≠0時物體的加速度a=0，即只有當F增大到一定值時物體才開始具有加速度，故在物體保持靜止的時候其所受的靜摩擦力等於繩子的拉力，所以出現此現象的原因是沒有平衡摩擦力或摩擦力平衡不夠．故選B． 從b圖可知在拉力F=0時物體的加速度不為0，即合外力不為0，B圖縱軸的截距大於0，說明在無拉力的情況下物體的加速度大於0，即在平衡摩擦力時，長木板傾角過大（平衡摩擦力過度）．故選C． 故選BC． 故答案為：（1）位移（2）BC．