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傳感技術與中學物理探究實驗 版權信息
- ISBN：9787030501851
- 條形碼：9787030501851 ; 978-7-03-050185-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
傳感技術與中學物理探究實驗 內容簡介
在中學物理實驗教學中引入傳感器技術，不僅使某些傳統物理實驗器材無法完成的實驗成為可能，極大地提高中學物理實驗教學績效，還能促使學生了解優選的科學技術，感悟科學的魅力，獲得科學的學習方法，形成正確的思維方式。在物理新課程改革中把傳感器與中學物理實驗的結合作為重要內容和課程理念體現在新課程標準中，將傳感器傳感技術、信息技術、計算機技術融入中學物理實驗和中學物理教學中已經成為引領物理教育發展的新趨勢。
傳感技術與中學物理探究實驗 目錄
目錄
前言
第1章 傳感器簡介1
1.1 傳感器定義1
1.2 傳感器技術在中學物理實驗中的作用1
1.3 傳感器的構成3
1.4 傳感器的分類4
1.5 幾種常見傳感器的工作原理4
第2章 美國PASCO公司的數據采集器系統簡介21
2.1 數據采集器系統特點21
2.2 采集器21
2.3 傳感器22
2.4 軟件25
第3章 力學探究實驗27
3.1 測單擺周期27
3.2 測量物體的相對速度29
3.3 位置-時間圖像描繪32
3.4 速度-時間圖像描繪33
3.5 測即時速度和平均速度35
3.6 測電動車的速度37
3.7 勻速運動和勻加速運動研究39
3.8 勻加速直線運動研究41
3.9 研究位移、速度和加速度在直線運動中的關系43
3.10 測量小車沿斜面下滑的加速度45
3.11 測自由落體加速度48
3.12 用光電門測自由下落物體的加速度50
3.13 改變初速度的拋體運動研究52
3.14 改變發射角的拋體運動研究55
3.15 牛頓**定律驗證58
3.16 牛頓第二定律（質量恒定）驗證61
3.17 牛頓第二定律（力恒定）驗證63
3.18 用牛頓第二定律測物體的質量65
3.19 牛頓第三定律驗證67
3.20 用亞特伍德機研究物體加速度與所受力的關系68
3.21 應用阿基米德定律測液體密度72
3.22 測定靜摩擦和滑動摩擦系數74
3.23 研究影響滑動摩擦力的因素78
3.24 研究形狀對物體臨界速度的影響81
3.25 研究物體的質量對臨界速度的影響82
3.26 研究非彈性碰撞中的動量守恒84
3.27 研究彈性碰撞中的動量守恒86
3.28 碰撞中沖量和動量關系研究88
3.29 自由落體的能量守恒研究90
3.30 研究重力勢能與高度的關系92
3.31 測量彈簧的勁度系數93
3.32 測量彈簧的彈性勢能95
3.33 重力勢能與動能轉變關系研究98
3.34 重力勢能與電能轉換研究101
3.35 單擺能量守恒研究103
3.36 驗證功能原理106
3.37 測量彈性和非彈性碰撞中的動量和動能108
3.38 測量彈簧上的物體作簡諧運動的周期114
3.39 受迫振動研究117
3.40 簡諧振動的研究119
3.41 測量復擺的周期122
3.42 測定復擺的向心力124
3.43 測量轉動圓盤的角位移和角速度127
3.44 測量物體的轉動慣量129
第4章 熱學探究實驗133
4.1 研究熱與溫度的關系133
4.2 研究輻射能量轉換135
4.3 測定金屬比熱137
4.4 測熱功當量值140
4.5 驗證玻意耳定律143
4.6 驗證蓋 呂薩克定律145
第5章 聲學探究實驗149
5.1 聲波的特性和行為研究149
5.2 橫波與縱波的演示152
5.3 波的一般特征研究153
5.4 研究弦上駐波155
5.5 研究管中聲音共鳴模式159
5.6 測定空氣中的聲速163
5.7 聲波的疊加研究165
5.8 研究聲波的干涉—拍167
第6章 光學探究實驗171
6.1 薄透鏡的物距和像距關系研究171
6.2 研究光的反射與折射174
6.3 測量凹面鏡的焦距177
6.4 制作望遠鏡和顯微鏡179
6.5 研究光強度的變化184
6.6 探究距離對光強的影響187
6.7 驗證（馬呂斯）定律189
6.8 光的衍射研究192
第7章 電學探究實驗197
7.1 靜電感應研究197
7.2 研究靜電分布199
7.3 靜電場描繪201
7.4 驗證歐姆定律204
7.5 探究簡單電路的電壓和電流207
7.6 探究串、并聯電路電阻212
7.7 驗證基爾霍夫定律218
7.8 充放電狀態下的RC回路研究220
7.9 研究LRC振蕩電路222
7.10 二極管一般特性研究225
7.11 建立整流器228
7.12 研究NPN晶體管數字開關230
7.13 測定晶體管電流增益232
第8章 磁學探究實驗236
8.1 測量地球磁場236
8.2 研究永磁體的磁場239
8.3 電磁感應研究241
8.4 測通電線圈中的磁場243
參考文獻247
前言
第1章 傳感器簡介1
1.1 傳感器定義1
1.2 傳感器技術在中學物理實驗中的作用1
1.3 傳感器的構成3
1.4 傳感器的分類4
1.5 幾種常見傳感器的工作原理4
第2章 美國PASCO公司的數據采集器系統簡介21
2.1 數據采集器系統特點21
2.2 采集器21
2.3 傳感器22
2.4 軟件25
第3章 力學探究實驗27
3.1 測單擺周期27
3.2 測量物體的相對速度29
3.3 位置-時間圖像描繪32
3.4 速度-時間圖像描繪33
3.5 測即時速度和平均速度35
3.6 測電動車的速度37
3.7 勻速運動和勻加速運動研究39
3.8 勻加速直線運動研究41
3.9 研究位移、速度和加速度在直線運動中的關系43
3.10 測量小車沿斜面下滑的加速度45
3.11 測自由落體加速度48
3.12 用光電門測自由下落物體的加速度50
3.13 改變初速度的拋體運動研究52
3.14 改變發射角的拋體運動研究55
3.15 牛頓**定律驗證58
3.16 牛頓第二定律（質量恒定）驗證61
3.17 牛頓第二定律（力恒定）驗證63
3.18 用牛頓第二定律測物體的質量65
3.19 牛頓第三定律驗證67
3.20 用亞特伍德機研究物體加速度與所受力的關系68
3.21 應用阿基米德定律測液體密度72
3.22 測定靜摩擦和滑動摩擦系數74
3.23 研究影響滑動摩擦力的因素78
3.24 研究形狀對物體臨界速度的影響81
3.25 研究物體的質量對臨界速度的影響82
3.26 研究非彈性碰撞中的動量守恒84
3.27 研究彈性碰撞中的動量守恒86
3.28 碰撞中沖量和動量關系研究88
3.29 自由落體的能量守恒研究90
3.30 研究重力勢能與高度的關系92
3.31 測量彈簧的勁度系數93
3.32 測量彈簧的彈性勢能95
3.33 重力勢能與動能轉變關系研究98
3.34 重力勢能與電能轉換研究101
3.35 單擺能量守恒研究103
3.36 驗證功能原理106
3.37 測量彈性和非彈性碰撞中的動量和動能108
3.38 測量彈簧上的物體作簡諧運動的周期114
3.39 受迫振動研究117
3.40 簡諧振動的研究119
3.41 測量復擺的周期122
3.42 測定復擺的向心力124
3.43 測量轉動圓盤的角位移和角速度127
3.44 測量物體的轉動慣量129
第4章 熱學探究實驗133
4.1 研究熱與溫度的關系133
4.2 研究輻射能量轉換135
4.3 測定金屬比熱137
4.4 測熱功當量值140
4.5 驗證玻意耳定律143
4.6 驗證蓋 呂薩克定律145
第5章 聲學探究實驗149
5.1 聲波的特性和行為研究149
5.2 橫波與縱波的演示152
5.3 波的一般特征研究153
5.4 研究弦上駐波155
5.5 研究管中聲音共鳴模式159
5.6 測定空氣中的聲速163
5.7 聲波的疊加研究165
5.8 研究聲波的干涉—拍167
第6章 光學探究實驗171
6.1 薄透鏡的物距和像距關系研究171
6.2 研究光的反射與折射174
6.3 測量凹面鏡的焦距177
6.4 制作望遠鏡和顯微鏡179
6.5 研究光強度的變化184
6.6 探究距離對光強的影響187
6.7 驗證（馬呂斯）定律189
6.8 光的衍射研究192
第7章 電學探究實驗197
7.1 靜電感應研究197
7.2 研究靜電分布199
7.3 靜電場描繪201
7.4 驗證歐姆定律204
7.5 探究簡單電路的電壓和電流207
7.6 探究串、并聯電路電阻212
7.7 驗證基爾霍夫定律218
7.8 充放電狀態下的RC回路研究220
7.9 研究LRC振蕩電路222
7.10 二極管一般特性研究225
7.11 建立整流器228
7.12 研究NPN晶體管數字開關230
7.13 測定晶體管電流增益232
第8章 磁學探究實驗236
8.1 測量地球磁場236
8.2 研究永磁體的磁場239
8.3 電磁感應研究241
8.4 測通電線圈中的磁場243
參考文獻247
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傳感技術與中學物理探究實驗 節選
第1章傳感器簡介 1.1傳感器定義 傳感器亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測器，主要特征是能感知和檢測某一形態的信息（電量或非電量），并將其轉換成另一形態的信息。因此，傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使其按照一定規律轉換成與之對應的有用輸出信號的元器件或裝置。 （1）從傳感器的輸入端來看，一個指定的傳感器只能感受規定的被測量，即傳感器對規定的物理量具有*大的靈敏度和*好的選擇性。例如，溫度傳感器只能用于測溫，而不能同時受其他物理量的影響。 （2）從傳感器的輸出端來看，傳感器的輸出信號為“可用信號”。這里所謂的“可用信號”是指便于處理、傳輸的信號，*常見的是電信號、光信號等。可以預料，未來的“可用信號”或許是更先進、更實用的其他信號形式。 （3）從輸入與輸出的關系來看，輸入與輸出之間的關系應具有“一定規律”，即傳感器的輸入與輸出不僅是相關的，而且可以用確定的數學模型來描述，也就是具有確定規律的靜態特性和動態特性。 由傳感器的定義可知，其基本功能是檢測信號和進行信號轉換。因此，傳感器總是處于測試系統的*前端，用來獲取檢測信息，其性能將直接影響整個測試系統，對測量精確度起著決定性作用。 傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節。如果沒有傳感器對原始參數進行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉換、信息處理，或者數據的顯示與控制，都將成為一句空話？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有自動檢測和控制系統。近代電子技術和電子計算機為信息的轉換與處理提供了極其完善的手段，近代檢測與控制系統正經歷著重大的變革，需要各種傳感器去檢測大量原始數據并提供信息，可見傳感器有著巨大的應用價值。 1.2 傳感器技術在中學物理實驗中的作用 人類的發展和進步是建立在工具和手段的進步之上的。時代在變化，科學在進步，應用于教學領域的技術手段也在不斷更新，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，傳感器就是其中的一種？萍嫉陌l展推動了傳感器技術的廣泛應用，我國在物理新課程改革的過程中也非常重視傳感技術、信息技術、計算機技術等在物理實驗中的應用，在物理課程標準中使用了諸如“了解”“知道”“列舉”“分析”“調查”“制作”等詞匯來描述對傳感器及其教學的要求。例如，在選修1-1的“電磁技術與社會發展”部分中明確提出“了解常見傳感器及其應用，體會傳感器的應用給人們帶來的方便，知道溫度傳感器具有將溫度信號轉變為電信號的作用”。在選 修3-2中專門列出了關于傳感器的內容標準，提到“知道非電學量轉換成電學量的技術意義；通過實驗，知道常見傳感器的工作原理，通過實驗認識溫度傳感器將溫度信號轉變為電信號的作用；列舉傳感器在生活和生產中的應用，了解光敏傳感器及其在日常生活中的應用”。由此可見，將傳感器融入中學物理課程以及實驗教學的做法已經成為一種共識，成為新課程改革的重要內容，也是我國物理教育研究領域的新趨勢。 1．運用傳感器技術可使抽象的物理過程和概念具體化 美國PASCO公司生產的PASCO傳感器系統和上海朗威DISLab傳感器系統提供的先進技術手段突破了傳統實驗手段的限制，大幅度改進原來做不出、做不好的實驗。傳感器系統的基本結構為“傳感器+數據采集器+計算機”，以一系列傳感器替代了傳統的測量儀器，能夠完成力、熱、聲、光、電、位移、磁感強度、輻射等多種物理量數據的采集。傳感器數據通過四通道數據采集器處理后上傳到計算機，由教學軟件進行實時的處理與分析。利用傳感器技術可將抽象的物理過程和概念具體化變成學生“看到現象”，幫助他們總結出物理規律，以喚起學生對物理學的興趣。 2．運用傳感器技術可使微觀現象直觀化 在中學物理實驗中有許多物理過程是一種微觀變化的過程，肉眼無法觀察到，如音叉振動形成的“拍”現象；兩個滑塊發生碰撞前后速度變化過程等，利用聲傳感器和速度傳感器，可直接在計算機上清晰地看到這一過程，栩栩如生，一目了然。傳感器技術發揮了其獨特的作用，極大地擴展了實驗的可視性和重復性，信息技術給物理量的測量帶來了革命性的變化，不但簡單方便，而且調動了學生的科學探究的主動性。 3．運用傳感器技術可使暫態現象凝固化 在物理實驗教學中，像自感現象、電磁振蕩、阻尼振動等許多暫態過程由于比較抽象，用傳統的實驗手段和方法難以觀察，物理現象不能夠清晰地展現在學生面前，以造成學生對物理規律認識上的難點。如果將傳感器引入暫態現象實驗中，將物理過程的瞬間變化凝固下來，讓學生仔細觀察和分析。通過“看到”物理現象，正確理解和認識物理規律。 4．運用傳感器技術可使定性實驗定量化 利用傳感器測量的各種物理量都要經過采集器進行處理后才能變為計算機能夠儲存和處理的數據，從數據的測量到采集再到處理，都是在系統內部完成的，避免了傳統實驗儀器由于估讀時人為引進的各種測量誤差，使實驗結果更精確、可靠。在傳統物理實驗操作過程中，雖然能觀察到實驗過程出現的現象，但很難進行定量化處理。使用數字化傳感技術，可以采集到實驗整個過程的完整數據，通過數據的分析可以感受實驗全程的變化，從而可以得到更加精確、科學的結論。將計算機與手持技術儀器聯用時，傳感器可以精確地測量與傳遞實驗中所測定的各種實驗參數，所得實驗數據將通過數據采集器轉到計算機中，計算機經由配套軟件將數據以表格和圖像的形式呈現，并進行分析處理。 5．運用傳感器技術可使學生有效開展探究實驗 實驗探究教學是指在教師引導下，學生運用已有的物理知識和技能，通過自己設計實驗方案、進行實驗操作、處理和分析數據、解決物理問題和探索結論的一種教學模式，讓學生體驗到“提出問題—實驗設計—實驗探究—獲得結論”等環節的科學探究過程，初步掌握科學研究的方法。傳統條件下，相當一部分探究過程中學生探究需求受到限制，可進行科學探究實驗的內容相對較少，而且定性、模糊的研究較多。科學探究實驗與傳感器技術有較大的關聯度，將數字傳感器技術引入科學探究實驗，不僅是讓學生親歷探究活動更有保證，而且可以拓展研究內容，更好地滿足學生的創新欲望；降低實驗難度，提高實驗效率，讓學生有更多的時間和精力反思、交流自己和同伴的探究過程，整理、分析實驗現象和數據，完成對新知的自主建構；創新實驗方法，擁有更多定量實驗的機會，讓學生探究活動更接近科學本質。 1.3 傳感器的構成 傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用輸出的轉換元件以及相應的基本轉換電路所組成，如圖1-3-1所示。 圖1-3-1 傳感器組成 （1）敏感元件：直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量。如彈性敏感元件將力轉換為位移或應變輸出。 （2）轉換元件：將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應變、光強等）轉換成電路參數（如電阻、電感等）或電量。 （3）基本轉換電路：將電路參數轉換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。 通常，傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調節與轉換電路將其放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的信號調節與轉換可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信號調節與轉換電路以及所需電源都應作為傳感器的組成部分。 1.4 傳感器的分類 傳感器種類繁多，按照不同的劃分標準，具有不同的分類方式。目前采用較多的傳感器分類方法主要有四種。 1．按能量供給形式分類 按能量供給形式分為：無源傳感器和有源傳感器。無源傳感器只是被動地接收來自被測物體的信息；有源傳感器則可以有意識地向被測物體施加某種能量，并將來自被測物體的信息變換為便于檢測的能量后再進行檢測。 2．按功能角度分類 可將傳感器分為：電傳感器、磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、聲傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、流速傳感器、真空度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感器、射線傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器和離子傳感器等。 3．按使用材料分類 可將傳感器分為：陶瓷傳感器、半導體傳感器、復合材料傳感器、金屬材料傳感器、高分子材料傳感器。 4．按技術特點分類 可將傳感器分為：電傳送、氣傳送或光傳送、位式作用或連續作用、有觸點或無觸點、模擬式或數字式、常規式或靈巧式、接觸式或非接觸式、普通型、隔爆型或本安型（本質安全型）等傳感器。 1.5 幾種常見傳感器的工作原理 1．電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是應用*廣泛的傳感器之一，利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、力矩、位移、加速度、質量和溫度等非電量參數。這類傳感器的種類很多，大致可分為電阻應變式、壓阻式和熱電阻式傳感器。電阻應變式傳感器的原理是基于電阻應變效應，即導體在受到外界拉力或壓力的作用時會產生機械變形，同時機械變形會引起導體阻值的變化，這種導體材料因變形而使其電阻值發生變化的現象稱為電阻應變效應。 已知導體材料的電阻可表示為 當外力作用時，導體的電阻率、長度l、截面積S都會發生變化，從而引起電阻值R的變化，通過測量電阻值的變化可以檢測出外界作用力的大小。電阻絲受軸向力作用時形變情況如圖1-5-1所示，若軸向拉長，徑向縮短，電阻率增加，電阻值的變化為，將引起電阻的相對變化為 （1-1） 軸向應變為 截面積相對變化量為 圖1-5-1 電阻絲受軸向力作用時形變情況 由材料力學相關知識可知，在彈性范圍內金屬的泊松系數可表示為金屬受力時的軸向應變和徑向應變關系，即 橫向變形系數為 將泊松系數和橫向變形系數代入式（1-1）中得 （1-2） 或用單位應變引起的相對電阻變化表示為 （1-3） 令金屬電阻絲應變片的靈敏系數為 （1-4） 由式（1-4）可見，金屬絲靈敏系數主要由材料的幾何尺寸決定。受力后材料的幾何尺寸變化為，電阻率的變化為。對于金屬電阻絲，泊松系數范圍在（鋼的泊松系數），由于有，因此，金屬電阻絲的靈敏系數可近似寫為。 由于應力正比于應變，應變又與電阻變化率成正比，即應力正比于電阻的變化。通過彈性元件可將位移、壓力、振動等物理量轉換為應力、應變進行測量，這是應變式傳感器測量應變的基本原理。 2．電容式傳感器 電容式傳感器是以不同類型的電容器作為傳感元件，并通過電容傳感元件把被測物理量的變化轉換成電容量的變化，然后再經轉換電路轉換成電壓、電流或頻率等信號輸出的測量裝置。隨著電子技術的迅速發展，特別是集成電路的出現，電容式傳感器所具有的優點將得到進一步體現，而它存在的分布電容、非線性等缺點又將不斷得到克服，因此電容式傳感器在非電測量和自動檢測中得到了廣泛的應用。它不僅廣泛應用于位移、振動、角度、加速度等機械量的精密測量，而且還逐步擴大應用于壓力、差壓、液面、料面、成分含量等方面的測量。 平板式電容器是由兩個金屬極板、中間混夾一層電介質構成的，如圖1-5-2所示。若在兩極板間加上電壓，電極上就儲存有電荷，所以電容器實際上是一種儲存電場能的元件。平板式電容器在忽略其邊緣效應時的電容量可用下式表示： （1-5） 式中，S為電容器兩極板的遮蓋面積（m2）；為介質的相對介電常量；為真空的介電常量（）；d為極板間距離（m）。 圖1-5-2 平板式電容器
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