从2016年高考物理谈DIS系统及传感器实验教学

钱呈祥　韩叙虹

1DIS实验技术系统简介

《普通高中·物理课程标准》明确指出：“重视将信息技术应用到物理实验室，加快物理实验软件的开发和利用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等。”DIS是由传感器、数据采集器、计算机、实验教学软件构成的数字化实验系统，以“传感器+计算机”为构成要素，实现对传统教学仪表一定意义上的替代和超越。与传统实验相比，DIS实现了三大变化：变定性为定量，变不可见为可见，变无法做为能做。DIS实验技术系统的传感器技术可以使高中物理实验过程的时间和空间可视化，使高中学生在物理实验教学实践过程中建立起客观的物理概念，深入地理解物理规律，有助于学生熟练掌握物理实验知识。DIS实验技术本质上是一种信息技术，是对所有信息数据进行综合处理的技术总和。DIS实验技术也是一种教育技术，为高中学生提供动手操作以及师生之间实验交流的机会，能让学生方便快捷地收集、整理并分析相应的物理实验数据，并且在轻松愉快的氛围中学习抽象的高中物理知识，便于提高学生的物理学习质量。以DIS实验技术为代表的数字化信息技术被引入到高中物理实验教学中后，以其方便的操作流程、强大的数据处理能力以及灵活多样的设计，为新形势下的高中物理教学注入了全新的生机和活力，在推动高中物理实验教学的数字化进程，充分发挥信息技术优势的同时，保持了实验的真实性，进而凭借“促进学生认知、提高课堂效率”的显著作用而获得了教育专业人士的高度认可。

基于DIS的物理探究实验的核心是改变学生的学习方式，强调主动探究，其过程既是学习的过程又是学习的目的。它不同于传统的实验教学，它是以学生为主体的新型学习方式，这无疑会给传统僵化的教学模式带来巨大冲击。基于DIS的探究实验是学习者主动探究的学习方式，适用于所有理科实验，它在实验过程中创设类似科学研究的情境和途径，让学生通过使用不同类型的传感器收集、分析和处理数字化信息来体验知识的产生和创造过程，进而学会学习，有助于培养学生分析问题、解决问题的能力。基于DIS的物理探究实验教学设计，着重训练学生综合运用知识、解决实际问题的能力；内容兼顾实用性、探索性和实验方法多元性。操作DIS设备完成实验，有助于培养学生处理数字、模型、逻辑推理和不确定性的问题，养成使用各种工具、仪器来解决实际问题的意识，有助于提高学生的科学探究能力和培养科学探究素养，从而养成批判性思维和独立思考的习惯。

2高考试题考查DIS系统及传感器作用

2016年高考物理试题有相当多的题量考查物理DIS系统及传感器的应用，一定程度上显示了高考物理实验命题的新趋势。

例1（2016年高考上海卷第26题）：“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，用到的传感器是传感器。若摆锤直径的测量值大于其真实值会造成摆锤动能的测量值偏。（选填：“大”或“小”）。

解析：在实验中，摆锤的速度通过光电门进行测量，测量的速度是通过小球直径d与挡光时间的比值进行计算，为：v=dΔt，当摆锤直径测量值大于真实值时，小球直径d会变大，导致计算出的小球速度变大，故小球动能也会变大。

光电门的工作原理是：光束被切断时计时器开始计时，光束重新被接收时计时器停止计时。如果光电门发出的光束比较细，那么小球在遮光时间内走过的距离近似等于小球的直径。很多中学使用的光电门所发出的光束很宽，有些甚至等于发光小孔的直径，那么在计算小球遮光时间内走过的距离时就不应该只取小球的直径，而应该取小球直径与光束有效宽度的差值。我们知道在实际纸带的计算中测量数据都是随机的，这样会导致学生的计算量较大，如果用计算机和传感器这个工具，会使学生的数据运算量大大减小，也使数据比较变得容易，从而让学生有更多的时间来对实验进行思考和改进。这是物理与信息技术的结合，学生特别喜欢操作，应用计算机和传感器处理数据是新课标教材中体现的一个倾向。

实验原理难以理解的常规实验中，有些物理量需根据实验测量的结果，利用比较抽象的物理原理进行计算，给学生实验造成额外的困难。引进DIS系统可以改变测量方式，改进实验的原理，方便学生的理解。例如，对于匀变速直线运动加速度的测量，常规实验采用打点计时器在与运动物体相连的纸带上打点，根据位移与时间关系的公式计算加速度。学生对于利用这个原理间接计算比较困惑，特别是根据相等时间间隔取点的做法，需要学生先具备匀变速直线运动规律的知识才能理解，不利于学生对加速度概念的新课学习。采用DIS技术改进该实验的原理，直接在物体运动线路上若干个位置安装光电门，测量运动速度与时间的关系，通过计算机输出速度—时间图像。这样比较直观，学生更容易理解加速度是速度对于时间的变化率。

例2（2016年高考上海卷第28题）：“用DIS描绘电场的等势线”的实验装置示意图，如图1所示。

（1）该实验描绘的是（）。

A.两个等量同种电荷周围的等势线

B.两个等量异种电荷周围的等势线

C.两个不等量同种电荷周围的等势线

D.两个不等量异种电荷周围的等势线

解析：该实验中，用A、B两个接线柱分别接在电源的正负极上，一个带正电另外一个带负电，模拟等量异种电荷产生的电场，所以选项B正确。

（2）实验操作时，需在平整的木板上依次铺放（）。

A.导电纸、复写纸、白纸

B.白纸、导电纸、复写纸

C.导电纸、白纸、复写纸

D.白纸、复写纸、导电纸

解析：在实验中，最上边一层是导电纸，这样才可以使A、B接线柱电流通过导电纸；接下来依次是复写纸和白纸，实验过程中在导电纸上找到电势相同的点，需要用探针在导电纸上作标记，标记通过复写纸就印到最下层的白纸上。

（3）若电压传感器的红、黑探针分别接触图中d、f两点（f、d连线与A、B连线垂直）时，示数小于零。为使示数为零，应保持红色探针与d点接触，而将黑色探针（选填：“向左”或“向右”）移动。

解析：据题意，只有当指针示数为零时才说明两点的电势相等，现在保持红色探针与d点接触，为了保证电压表示数为零，需要使黑色探针与红色探针电势相等，则要把黑色探针向右移动。掌握如何模拟等量异种电荷，会正确操作该实验，知道导电纸、复写纸和白纸的放置顺序，理解如何判断两个位置电势相等的方法，是解决本题的关键。

例3（2016年高考江苏卷第11题）：某同学用如图2所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点，光电门固定在A的正下方。在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取作为钢球经过A点时的速度.记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小ΔEp与动能变化大小ΔEk，就能验证机械能是否守恒。

（1）用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到之间的竖直距离。

A.钢球在A点时的顶端

B.钢球在A点时的球心

C.钢球在A点时的底端

（2）用ΔEk=12mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图3所示，其读数为cm。某次测量中，计时器的示数为0010 s，则钢球的速度为v=m/s。

（3）该同学的实验结果见表1。

他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。

（4）请你提出一条减小上述差异的改进建议。

解析：（1）小球下落的高度为初末位置球心间的距离，所以选B。

（2）读数时要注意最小分度是1 mm，要估读到最小分度的下一位，由图知读数为1.50 cm，小球的速度为v=dt，代入解得v=1.50 m/s。

（3）若是空气阻力造成的，则ΔEk小于ΔEp，根据表格数据ΔEk大于ΔEp，可知不是空气阻力造成的，所以不同意他的观点。

（4）据图可看出，光电门计时器测量的是遮光条经过光电门的挡光时间，而此时遮光条经过光电门时的速度比小球的速度大，因为它们做的是以悬点为圆心的圆周运动，半径不等，所以速度不能等同，而这位同学误以为相同，从而给实验带来了系统误差。改进方法：根据它们运动的角速度相等，分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算ΔEk时，将v折算成钢球的速度v′=lLv。

例4（2016年高考四川卷第8题）：用如图4所示的装置测量弹簧的弹性势能。将弹簧放置在水平气垫导轨上，左端固定，右端在O点；在O点右侧的B、C位置各安装一个光电门，计时器（图中未画出）与两个光电门相连。先用米尺测得B、C两点间距离x，再用带有遮光片的滑块压缩弹簧到某位置A，静止释放，计时器显示遮光片从B到C所用的时间t，用米尺测量A、O之间的距离x。

（1）计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是。

（2）为求出弹簧的弹性势能，还需要测量。

A.弹簧原长

B.当地重力加速度

C.滑块（含遮光片）的质量

（3）增大A、O之间的距离x，计时器显示时间t将。

A.增大B.减小C.不变

解析：（1）计算滑块离开弹簧时速度大小的表达式是v=s/t。

（2）弹簧的弹性势能全部转化成了滑块得到的动能，为求出弹簧的弹性势能，还需要测量滑块（含遮光片）的质量，故选C。

（3）增大A、O之间的距离x，弹簧的压缩量变大，滑块得到的速度变大，则滑块经过计时器显示时间t将减小，故选B。

此实验比较简单，实验的原理及步骤都很清楚；实验中引入的计时器装置可与刻度尺结合测量速度；首先要知道测量的物理量的表达式，然后才能知道要测量的物理量。

例5（2016高考新课标1卷第23题）：现要组装一个由热敏电阻控制的报警系统，要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时，系统报警。提供的器材有：热敏电阻，报警器（内阻很小，流过的电流超过Ic时就会报警），电阻箱（最大阻值为9999 Ω），直流电源（输出电压为U，内阻不计），滑动变阻器R1 （最大阻值为1 000 Ω），滑动变阻器 R2（最大阻值为2 000 Ω），单刀双掷开关1个，导线若干，如图5所示。

在室温下对系统进行调节。已知U约为18 V，Ic约为10 mA；流过报警器的电流超过20 mA时，报警器可能损坏；该热敏电阻的阻值随温度升高而减小，在60 ℃时阻值为650.0 Ω。

（1）在答题卡上完成待调节的报警系统原理电路图的连线。

（2）电路中应选用滑动变阻器（填“R1”或“R2”）。

（3）按照下列步骤调节此报警系统：

①电路接通前，需将电阻箱调到一固定的阻值，根据实验要求，这一阻值为Ω；滑动变阻器的滑片应置于（填“a”或“b”）端附近，不能置于另一端的原因是。

②将开关向（填“c”或“d”）端闭合，缓慢移动滑动变阻器的滑片，直至。

（4）保持滑动变阻器滑片的位置不变，将开关向另一端闭合，报警系统即可正常使用。

解析：（1）热敏电阻工作温度达到60 ℃时，报警器报警。故需通过调节电阻箱使其电阻为60 ℃时的热敏电阻的阻值，即调节到阻值650.0 Ω，光使报警器能正常报警，电路图如图6所示。

（2）U=18 V，当通过报警器的电流10 mA≤Ic≤20 mA，故电路中总电阻R=UIC。

980 Ω≤R≤1 800 Ω，故滑动变阻器选R2。

（3）热敏电阻为650.0 Ω时，报警器开始报警，模拟热敏电阻的电阻器阻值也应为650.0 Ω。为防止通过报警器电流过大，造成报警器烧坏，应使滑动变阻器的滑片置于b端。

本题主要考查了闭合电路的欧姆定律的应用、等效替换法。要特别注意本题使用的等效替换法的思想，先用电阻箱的阻值来代替热敏电阻来调节电路，再接入热敏电阻时，就可以直接工作，这样的做法灵活、方便、安全。

例6（2016高考新课标3卷第23题）：某物理课外小组利用如图7所示的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图7中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮：轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有5个（N=5），每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下：

（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物快，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑。

（2）将n（依次取n=1，2，3，4，5）个钩码挂在轻绳右端，其余（N-n）个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图像，经数据处理后可得到相应的加速度a。

（3）实验结果见表2。n=2时的s-t图像如图8所示，由图8求出此时小车的加速度（保留2位有效数字），将结果填入表2。

（4）利用表中的数据在图9中补齐数据点，并作出a-n图像。从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。

（5）利用a-n图像求得小车（空载）的质量为kg（保留2位有效数字，重力加速度取g=9.8 m·s–2）。

（6）若以“保持木板水平”来代替步骤（1），下列说法正确的是（填入正确选项钱的标号）。

A.a-n图线不再是直线

B.a-n图线仍是直线，但该直线不过原点

C.a-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大

解析：（3）因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，故将（2，0.78）代入

s=12at2可得a=039 m/s2。

（4）根据描点法得出如图10所示的图线。

（5）nmg=（5-n）m+Ma，变形可得a=nmgM+（5-n）m=nmgM+5m-nm，如果绳子的拉力近似等于砝码的重力，则必须满足Mm，故a=mgM+5mn，斜率k=mgM+5m，根据图像以及m=0.010 kg，可得M=0.45 kg。

（6）因为如果不平衡摩擦力，则满足F-f=ma的形式，即a=mgM+5mn-fM+5m，所以图线不过原点，但仍是直线，选项A错误B正确。

因为f=μ（M+5m-nm）g，代入可得：

a=mgM+5mn-fM+5m=mg+μmgM+5mn-μg，直线的斜率变大，故C正确。

对于高中实验，要求能明确实验原理，认真分析各步骤，从而明确实验方法；同时注意掌握图象的性质，能根据图象进行分析，明确对应规律的正确应用。

例7（2016高考北京卷第21题）：（1）热敏电阻常用于温度控制或过热保护装置中。图11为某种热敏电阻和金属热电阻的阻值R随温度t变化的示意图。由图可知，这种热敏电阻在温度上升时导电能力（选填“增强”或“减弱”）；相对金属热电阻而言，热敏电阻对温度变化的影响更（选填“敏感”或“不敏感”）。

（2）利用图12装置做“验证机械能守恒定律”实验。

Ⅰ.为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的（）。

A.动能变化量与势能变化量

B.速度变化量和势能变化量

C.速度变化量和高度变化量

Ⅱ.除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是（）。

A.交流电源B.刻度尺C.天平（含砝码）

Ⅲ.实验中，先接通电源，再释放重物，得到图13所示的一条纸带。在纸带上选取3个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。

已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp=，动能变化量ΔEk=。

Ⅳ.大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是（）。

A.利用公式v=gt计算重物的速度

B.利用公式v=2gh计算重物速度

C.存在空气阻力和摩擦力阻力的影响

D.没有采用多次试验求平均值的方法

Ⅴ.某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2-h图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确。

解析：（1）由R-t图像可得，随温度升高热敏电阻的阻值降低，且热敏电阻阻值随温度变化的更快，所以当温度上升时热敏电阻导电能力增强，相对于金属电阻而言，热敏电阻对温度变化的响应更敏感。

（2）Ⅰ.由机械能守恒可知，实验只需要比较动能的变化量和势能的变化量，所以选A。

Ⅱ.电磁打点计时器使用的是交流电源，故A正确。因为在计算重力势能时，需要用到纸带上两点之间的距离，所以还需要刻度尺，故B正确；根据mgh=12mv2-0可把等式两边的质量抵消掉，故不需要天平，C错误。

Ⅲ.重力势能改变量为Ep=mghB，由于下落过程中是匀变速直线运动，根据中间时刻规律可得B点的速度为vB=hC-hA2T，所以ΔEk=12mvB2=12m（hC-hA2T）2。

Ⅳ.实验过程中存在空气阻力，纸带运动过程中存在摩擦力，C正确。

Ⅴ.该同学的判断依据不正确，重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mgh-fh=12mv2-0得到v2=2（g-fm）h可知，v2-h图像就是过原点的一条直线。要想通过v2-h图像的方法验证机械能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近2g。

解决本题的关键在于掌握实验的原理，会通过原理确定器材，以及掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度的大小。做分析匀变速直线运动情况时，其两个推论能使我们更为方便地解决问题：一是在相等时间内走过的位移差是一个定值，即Δx=aT2；二是在选定的某一过程中，中间时刻瞬时速度等于该过程中的平均速度。

3DIS系统的优势

常规物理实验一直是高中物理的重要教学手段，教师在常规实验教学方面的技能和经验也比较成熟。但是随着教育形势的发展和教学改革的深入，原有的实验设备在应用中存在一些弊端，诸如：操作过程烦琐、测量数据不够精确、数据处理花费时间太长、实验误差比较大、不利于科学探究以及研究性学习。传统实验教学的出发点和目的是让学生掌握和巩固知识，这就使学生物理实验的范围局限于学校、课堂、书本。这些问题影响了物理实验教学的效果和新课程改革的顺利推进，对新课程目标“掌握物理实验的一些基本技能”、“尝试应用科学探究的方法研究物理问题”的实现产生了制约。DIS技术的出现可以有效地解决常规实验的一些问题。DIS实验测量具有数据采集精确、数据处理速度快、实验结果可视化、操作过程简便等优点，将DIS实验与常规实验进行优势互补、取长补短、合理取舍，可以提高实验教学的效果。以现代信息技术为支撑的DIS实验扩大了物理实验的内涵，从而使物理实验的教育功能得到了拓展。利用各种现代信息化技术将教学与社会、生活、科学技术紧密联系起来，开阔学生的视野，激发学生更大的学习兴趣。在物理教学中，实验的目的是要探索或验证物理规律，这就必须要求学生具有分析和处理实验数据的能力。传统实验在数据处理方面所花的时间很长，传统实验在数据处理方面所花的时间占整个实验过程的45%。在数据处理过程中，学生要经过详细的计算或描点拟合，才能够根据计算的结果或做出的图像进行分析归纳，得出结论。这可以充分培养学生的作图能力，计算能力，及利用数学知识解决物理问题的能力。但由于计算过程太过冗长，学生用于探索研究的时间只有8%。DIS实验用于数据处理的时间只占整个实验过程的3%，其他的工作都由计算机来完成。学生的主要任务是根据数据进行探索、研究、推测结论，然后选择合适的函数进行拟合。DIS实验给了学生57%的时间进行探索研究。DIS实验与传统实验应该同时并重，长期共存，互为补充，相辅相成，既无主次之分，更不能完全替换。它们不是推倒与重建、破和立的关系，而是继承与发展的关系。在物理教学过程中，既要提倡运用DIS，又不能偏废传统实验原理、实验手段和实验方法的学习。

DIS实验技术使学生体验到探索知识的艰辛和喜悦，激发他们学习的兴趣和热情，从而促进高中物理教学水平的提高。这和新课程教育改革理念高度一致。高中物理教学中，有一些物理原理很难通过常规实验进行探究，只能通过演绎推理建立起来。这种建立方式较理论化，不太符合学生的认知特点，也不符合新课程改革的要求。利用DIS技术，可以减少理论推导，将物理原理建立在DIS实验探究的基础上。例如，在高中物理“感应电动势”的教学中，引进磁传感器，再结合光电门传感器、电压传感器，就可以采集磁感强度B、导体运动速度v等数据，并将这些数据与感应电动势的关系通过电脑显示，从而可以通过DIS探究实验来建立动生电动势这个物理概念。物理学实验有不同的环节：数据采集环节，DIS传感器的测量不但简单方便，而且精度高；实验准备的观察环节，DIS极大地扩展了可视性和可重复性；数据处理环节，DIS将学生从简单、机械、繁琐的数据分析处理过程中解脱出来，让他们把多点儿的时间和精力用在更有创新、创造力的方面。在基于DIS的物理探究过程中，能激发学生持久的学习兴趣、培养敢于思考、乐于合作、勇于实践的态度，变被动接受知识为主动探索和获取知识，注重获取知识过程的教学，明确探究实验的学生主体地位。让学生在基于DIS设备的物理探究活动中体验探索的艰辛和成功，有助于激发学生探索的兴趣和热情。教师引导学生用科学的方法和准确的实验操作来实践探究的过程、验证已有的现象和规律，这样的探究式教学有利于培养学生的创新意识和提高创新水平，有利于学生综合素质的提高。数字化实验系统不仅能将一些复杂实验简化，而且能够完成以往条件下较难完成的实验。数字化实验系统实际上是一个载体，它能解决的不仅仅是实验的难点，还突破了学生认知能力和创新能力培养上的难点。

具体地说，DIS技术的优势是：

（1）DIS是丰富、生动的演示工具。DIS作为演示工具，可使静态事物动态化、微型实验宏观化、抽象知识形象化，完成由于受传统实验仪器本身的限制难以完成的仿真模拟实验，进行物理过程的动态分析，帮助学生透彻理解并且掌握产生实验结论的过程。

（2）DIS是良好的技能训练工具。DIS可以为学生提供全方位的开放性的操作环境，让学生对一些传统实验进行反复训练：如让学生在虚拟场景中从各个角度观察游标卡尺，进行测量训练并在测量完成后及时给出反馈信息，有助于学生对游标卡尺的结构、测量方法及读数的知识构建。DIS还可以克服学生对一些较复杂仪器（多用电表、示波器等）操作时的盲目性，帮助他们在理解原理、了解测量方法的基础上通过模拟掌握实验技能。

（3）DIS是良好的数据信息加工工具。DIS可以利用内置程序（或通用软件）对实验中所采集的数据进行实时处理、并且能够将最终结果以表格、图表等数学形式直观地显示出来。如在测定电源电动势和内阻、牛顿第二定律等实验中，可方便地找到相关物理量的关系。

（4）DIS也是真正的互动交流工具。在网络环境下DIS可以实现学生不进实验室，便在校园局域网上进行自主实验学习，边学习边与其他同学或教师交流、讨论，遇到问题时可及时获得多方帮助。

（5）DIS实验简化了实验数据的采集过程，让学生有更多的精力关注实验过程，专注于实验方案的设计、实验数据的分析处理。

DIS实验技术作为一种新技术，对于刚刚接触到这种全新实验手段的高中生而言，理解起来存在一定的困难。学生作为高中物理实验学习的主体，如果对DIS实验技术不够熟悉的话，在一定程度上会影响高中物理DIS实验教学的顺利开展。学校和教师应注重引导学生接受新知识，循序渐进地学习DIS实验技术的基本知识，并对学习过程中出现的各种疑惑进行及时的解释，激发学生主动学习DIS实验技术的兴趣。当新的事物来临时，作为物理教师要首先接纳，花时间研究，充分发挥DIS数字实验系统在物理课堂教学中的作用，要耐心带领学生逐步应用现代化的测量手段，加强课程体系建设，在教育评价体系中逐步合理地引入适量的数字化实验，开发出足够的数字教学资源。