用dis力的合成实验装置

1. 如图1所示为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力与质量的关系”的实验装置．（1）

（1）研究加速度和力与质量的关系，需先控制一个物理量不变，采用的研究方法是控制变量法．
（2）①由图线OA段可知，a与F的图线是倾斜的直线，可知质量一定的情况下，加速度与合外力成正比．
②因为图线的斜率表示物体的质量，AB段明显偏离直线，此时小车的质量不再远大于钩码的质量，斜率为钩码和小车总质量的倒数．
（3）研究加速度与小车质量的关系，若作出a-M图线，图线是曲线，无法得出a与M的定量关系，应该作a-

1

M

图线，图线为过原点的直线，说明a与M成反比．
故答案为：（1）控制变量法，（2）①质量一定的情况下，加速度与合外力成正比，②没有使小车质量远大于钩码质量．
（3）a-

1

M

2. 如图所示，是用DIS实验系统探究物体的加速度与力和质量的关系实验装置。 （1）为了使小车所

（1）倾斜平衡摩擦力 （2）

3. 在“用DIS探究牛顿第二定律”的实验中，装置如图（a）所示．（1）本实验是通过______来改变对小车的拉力

（1）通过改变钩码的个数可以改变对小车的拉力；通过位移传感器测得小车的v-t图象，v-t图象的斜率等于小车的加速度．
（2）由图（b）所示a-

1

M

图象可知，图象不过原点，在横轴上有截距，这是由于：轨道倾斜，左端偏高或小车与轨道间的摩擦偏大造成的，故BD正确；
故答案为：（1）改变钩码的个数；图象的斜率；（2）BD．

4. 关于“用DIS探究牛顿第二定律”的实验（1）如图1是本实验的装置图，图中①是位移传感器的______部分，②

（1）发射器固定在小车上，接收器应该固定在轨道上．
所以图中①是位移专传感器的发射器部分，②属是位移传感器的接收器部分．
本实验通过控制变量法研究加速度与力、质量的关系，所以
通过改变悬挂钩码的个数来改变对小车的拉力，通过在小车上加配重片来改变小车的质量．
（2）从上图中发现直线没过原点，当F≠0时，a=0．也就是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0处于静止，说明小车的摩擦力与绳子的拉力抵消呢．该组同学实验操作中遗漏了平衡摩擦力这个步骤．
所以造成图中直线不过坐标原点的原因是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足．
a=

F?f

m

a-F图线的斜率的倒数即物体的质量，
所以m=

1

k

=0.77kg
故答案为：（1）发射器、接收器、改变悬挂钩码的个数、在小车上加配重片．
（2）未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足、约0.77．

5. 力的合成与分解实验步骤

实验目的
验证共点力的合成定则。
实验原理
共点力的合成与分解符合力的平行四边形定则。
实验器材
朗威DISLab、计算机、DISLab力的合成分解实验器、钩码（5.76N）、小细绳等（见图4-1）。

图4-1 DISLab力的合成分解实验器
实验装置图
见图4-2。

图4-2 实验装置
实验过程与数据分析
1．将两只力传感器分别接入数据采集器，将DISLab力的合成分解实验器通过十字转接器固定在铁架台上；
2．按照图4-2将两力传感器固定在DISLab力的合成分解实验器的挂臂上，力传感器测钩指向实验器力矩盘的圆心，且与力矩盘中心垂线呈45°夹角，两力传感器测钩延长线相互垂直；
3．将两条细绳拴在测钩上，细绳的另一端在力矩盘的圆心处打结拴在一起；
4．观察软件中两个力传感器窗口，点击“调零”，使传感器窗口示数为0；
5．在细绳的打结处向下方引出另一细绳，并挂上钩码；
6．调整实验器的力矩盘，使挂钩码的细线与力矩盘下方的0°重合；
7．打开“计算表格”，定义变量“g”为常量5.76，定义变量“q”代表角度值，使用“点击记录”，记录所测数据；
8．顺时针转动力矩盘，在转动角度分别为10°、20°、30°、45°时，依次记录所测数据并输入对应的角度值；
9．点击“公式”，考虑到角度与弧度的换算关系，输入自由表达式“F5＝g*Cos（（45-q）*pi/180）”，表示“F1的理论值”；输入自由表达式“F6＝g*Sin（（45-q）*pi/180）”，表示“F2的理论值”；
10．比较实测值与理论值，发现二者接近（见图4-3），验证了力的合成定则。

图4-3 力的合成实验结果
建议：
1．在表格中输入实测值与理论值的相对误差计算公式，观察计算结果。
2．可以接入第三只力传感器替代钩码的重力，重新做上述实验。
3．调整力传感器在DISLab力的合成分解实验器挂臂上固定方向，用实验器附带的滚轴替换测钩，使用配套的标准木块，即可进行力的分解实验（图4-4）。

6. “用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图（a）所示．实验中通过增加钩码的数量，多次测量，可得小车

（1）由图象可知，当F=0时，a≠0．也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加回速度，该同学实验操作中答平衡摩擦力过大，即倾角过大，平衡摩擦力时木板的右端垫得过高．
所以图线①是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的．
（2）图线②是在轨道水平时做的实验，由图象可知：当拉力等于0.5N时，加速度恰好为零，即刚好拉动小车，此时f=F=1N，
根据F=ma得a-F图象的斜率k=

1

m

，由a-F图象得图象斜率k=

6?3

1

=3，所以m=

1

3

kg，则
μ=

f

mg

＝

1

1 3 ×10

＝0.3；
（3）随着钩码的数量增大到一定程度时图（b）的图线明显偏离直线，造成此误差的主要原因是所挂钩码的总质量太大，而我们把用钩码所受重力作为小车所受的拉力，所以消除此误差可采取的简便且有效的措施应该测量出小车所受的拉力，即在钩码与细绳之间放置一力传感器，得到力F的数值，在作出小车运动的加速度a和力传感器读数F的关系图象，或减少实验中所挂钩码的质量，使其应远小于小车的总质量，故BD正确．
故选：BD．
故答案为：（1）①；（2）0.3；（3）BD；

7. 怎样用DISLab系统来制作向心力演示器实验

“传感器及其工作原理”教学设计

江苏省靖江高级中学 陈斌 环晴

【教材】普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3－2第六章第一节

【教学目标】

1．知识与技能

了解什么是传感器，知道非电学量转化为电学量的技术意义；

认识一些制作传感器的元器件，知道这些传感器的工作原理。

2．过程与方法

通过对实验的观察、思考和探究，让学生在了解传感器、熟悉传感器工作原理的同时，经历科学探究过程，学习科学研究方法，培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。

3．情感、态度与价值观

体会传感器在生活、生产、科技领域的种种益处，激发学生的学习兴趣，拓展学生的知识视野，并加强物理与STS的联系。通过动手实验，培养学生实事求是的科学态度、团队合作精神和创新意识。

【设计思路】

从上世纪八十年代起，国际上出现了“传感器热”，传感器在当今科技发展中有着十分重要的地位。新课程标准紧扣时代脉搏，对传感器教学提出明确要求。本课的设计思路是通过对实验的观察、思考和探究，了解什么是传感器，传感器是如何将非电学量转换成电学量的，传感器在生产、生活中有哪些具体应用，为学生利用传感器制作简单的自控装置作一铺垫。教学时力避深奥的理论，侧重于联系实际，让学生感受传感器的巨大作用，进而提高学生的学习兴趣，培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。

【教学过程】

一、引入新课

教师：今天我们生活中常用的电视、空调的遥控器是如何实现远距离操纵的？楼梯上的电灯如何能人来就开，人走就熄的？工业生产中所用的自动报警器、恒温烘箱是如何工作的？“非典”病毒肆虐华夏大地时，机场、车站、港口又是如何实现快速而准确的体温检测的？所有这些，都离不开一个核心，那就是本堂课将要学习的传感器。

二、新课教学

1．什么是传感器

演示实验1：如图1所示，小盒子的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关，当把磁铁放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁铁移开，灯泡熄灭。

教师提问：盒子里有怎样的装置，才能实现这样的控制？

学生猜测：盒子里有弹性铁质开关。

师生探究：打开盒子，用实物投影仪展示盒内的电路图（图2），了解元件“干簧管”的结构。探明原因：当磁体靠近干簧管时，两个由软磁性材料制成的簧片因磁化而相互吸引，电路导通，干簧管起到了开关的作用。

教师点拨：这个装置反过来还可以让我们通过灯泡的发光情况，感知干簧管周围是否存在着磁场。

演示实验2：教师出示一只音乐茶杯，茶杯平放桌上时，无声无息，提起茶杯，茶杯边播放悦耳的音乐，边闪烁着五彩的光芒。

教师提问： 音乐茶杯的工作开关又在哪里？开启的条件是什么？

学生猜测：在茶杯底部，所受压力发生改变。

实验探究：提起茶杯，用手压杯的底部，音乐并没有停止。

学生猜测：是由于光照强度的改变。

实验探究：用书挡住底部（不与底部接触），音乐停止，可见音乐茶杯受光照强度的控制。

师生总结：现代技术中，我们可以利用一些元件设计电路，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。我们把这种元件叫做传感器。它的优点是：把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

教师提问：实验1中的干簧管是怎样的传感器，实验2音乐茶杯中所用的元件又是怎样的传感器？

学生回答：干簧管是一个能感受磁场的传感器，音乐茶杯中所用的元件是能感受光照强度的传感器。

教师介绍：数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory，简称：DISLab）

就是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统。该系统成功克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，在实验上收到了许多意想不到的成功。

投影展示：

图3 DISLab系统构成

演示实验3：通过朗威DISLab数据采集器、位移传感器来观察简谐振动图象。

图4 弹簧振子实验装置图

图5 弹簧振子振动图线

2、认识一些制作传感器的元器件

（1）光敏电阻

学生实验1：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测量一只光敏电阻的阻值，实验分别在暗环境和强光照射下进行。

学生总结实验结果：光敏电阻在暗环境下电阻值很大，强光照射下电阻值很小。

师生总结：光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。

教师简单介绍：光敏电阻在光照射下电阻变化的原因。有些物质，例如硫化镉，是一种半导体材料，无光照时，载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性变好。

（2）热敏电阻和金属热电阻

教师提问：金属导体的导电性能与温度有关吗？关系如何？

学生回答：金属导体的电阻随温度的升高而增大，如白炽灯钨丝的电阻在正常工作情况下比常温下的电阻大得多。

演示实验4：如图6所示，AB间接有一段钨丝（从旧日光灯管中取出），闭合开关，灯泡正常发光，当用打火机给钨丝加热时，灯泡亮度明显变暗。

学生探究：钨丝的电阻随温度的升高而增大。

师生总结：用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。如前面已经学过的用金属铂可制作精密的电阻温度计。

学生实验2：学生两人一组，用万用电表的欧姆挡测一只热敏电阻的阻值。第一次直接测量，第二次用手心捂住热敏电阻再测量，记录两次测得的电阻值。

学生探究：热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，且阻值随温度变化非常明显。

师生总结：半导体热敏电阻也可以用作温度传感器。

师生总结比较：金属热电阻与热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

（3）霍尔元件

教师介绍：霍尔元件是在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上，制作4个电极E、F、M、N而成（如图7所示）。若在E、F间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的匀强磁场B，薄片中的载流子就在洛伦兹力的作用下发生偏转，使M、N间出现电压U。

师生讨论：霍尔元件的上的电压U与电流I、磁感应强度B的关系，设霍尔元件长为a，宽为b，厚为d，则当薄片中载流子达到稳定状态时，，即，又因，所以，即（为霍尔系数）。因此，我们就可以根据电压U的变化得知磁感应强度的变化。

师生共析：霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

演示实验5：利用朗威DISLab数据采集器、霍尔元件观察通电螺线管内部磁感应强度的大小分布规律。

图8 磁感应强度测定的实验装置图

图9 磁感应强度分布图线

三、小结

传感器是指一些能把光、力、温度、磁感应强度等非电学量转化为电学量或转换为电路的通断的元器件，它在生活、生产和科技领域有着非常广泛的应用。日本把传感器技术列为上世纪八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为九十年代的关键技术，而我国有关传感器的研究和应用正方兴未艾……

四、作业

1．观察与思考：日常生活中哪些地方用到了传感器，它们分别属于哪种类型的传感器，它们的工作原理如何？

2．实验设计：用热敏电阻、继电器等器材设计一个火警报警器。

【教学反思】

本节课依据学生的认知规律组织教学，引入新课从生活实例入手，设置悬念，提出问题，激发学生兴趣，增强学生的求知欲；在进行“什么是传感器”的教学中注重实验探究，引导学生从两个实验的探究中加以归纳，并通过DISLab系统显示传感器的优越性，让学生了解把非电学量转化为电学量的技术意义；在对光敏电阻、热敏电阻和热电阻、霍尔元件这些制作传感器的元器件教学中，注重将教师演示实验与学生动手实验相结合，注重理论与实践相结合。整个教学过程符合新课程的三维目标，体现新课程的理念，注意培养学生的自主、合作、探究能力，注意从生活走向物理，从物理走向生活，以此增进学生的学习能力和科学素养。

8. 如图所示是在“用DIS实验系统研究机械能守恒定律”的实验装置，完成下列有关问题：（1）本实验中，采用的

（1）本实验，采用光电门传感器来测量瞬时速度，通过 v= d t 来测出速度，从而求出动能． （2）先专选取零势属能面再进行实验，这样不同位置的重力势能才有确定的值，而摆锤动能与重力势能之和值与零势能的位置有关，但不论零势能的位置在何处，动能与重力势能的之和却始终为常数，不过常数值不同而已． （3）根据表格的数据，可得机械能的值在减小，则说明存在除重力以外的力做功，即摩擦阻力做功． 故答案为：（1）光电门；（2）无；（3）摆锤在摆动过程中存在一定的阻力

9. 在“用DIS研究加速度与力的关系”的学生实验中，实验装置图如下所示． （1）本实验采用了______传感器（

（1）本实验采用了位移传感器，代替了打点计时器，用DIS可以测小车的加速度． （2）①a图线中当F≠0时物体的加速度a=0，即只有当F增大到一定值时物体才开始具有加速度，故在物体保持静止的时候其所受的静摩擦力等于绳子的拉力，所以出现此现象的原因是没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够．故选B． 从b图可知在拉力F=0时物体的加速度不为0，即合外力不为0，B图纵轴的截距大于0，说明在无拉力的情况下物体的加速度大于0，即在平衡摩擦力时，长木板倾角过大（平衡摩擦力过度）．故选C． 故选BC． 故答案为：（1）位移（2）BC．