传感器技术在中学物理实验中的应用

摘　要:　介绍传感器技术在中学物理实验中的运用，早期教材中简单的结构型传感器和近期教材中的物性型传感器及数据采集器。

关键词:　传感器　传感器技术　物理实验

　人的五官感受客观世界的范围十分有限。随着科技的发展，人们不断地运用各种工具和仪器延伸着自己器官的感知范围和准确度，这种工具和仪器就是传感器。传感器担负着信息采集的任务，相当于人的“五官”，在物理实验中，能够将感受到的物理量，如：力、热、声、光转换成便于测量的电学量，能感受各种微弱的信号，并能放大、传输、存储、显示或作出必要的控制输出。在物理实验中应用传感器，不仅能突出物理学科重实际，重运用的特点，而且能激发学生学习科技的兴趣。下面简单地介绍一下传感器技术在中学物理实验中的运用，如在早期的教材中运用过一些简单的结构型传感器，随着传感器技术的不断发展，新教材增加了《传感器的简单应用》这一实验，介绍了一些物性型的敏感传感器，在新课标教材中，介绍了使用位置传感器进行的牛顿第二定律的实验，介绍了以电子传感器作为一种独立器件的智能型传感器———数据采集器。

(1)在早期的教材中，介绍了一些简单的传感器如双金属片。其实它是一个结构型热传感器，利用构件的移动、伸缩等几何尺寸与位置的变化来感知测量物理量。当固定在一起的铜片和铁片受热时发生了弯曲，这样就感知了温度的变化，并通过位置的变化与原来的触点断开，把温度的变化转化为电路电流的变化。电饭煲中控制加热和保温的温控器就是利用双金属片这种传感器。在介绍电磁感应时，也介绍了动圈式的话筒，其实这种话筒里有一个声电传感器。在弹性膜片后面粘了一个轻小金属线圈，线圈处于永久磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，金属线圈感知声波而前后振动，因而线圈产生感应电动势，这样声音信号转换成了电信号。像这样的例子在旧教材上很多，只不过没有用传感器这个概念表达而已。

(2)在新教材中，增加了传感器在物理实验中的运用

随着科技的发展，担负着信息采集任务的传感器越来越多服务于我们的生活和工作，可以说在当今社会，几乎没有任何一种科学技术的发展及应用能够离得开传感器技术的支持。在新教材中，增加了学生实验《传感器的简单应用》，让学生探究了热敏电阻阻值是如何随温度变化而变化，并做简单的温度报警实验，利用热敏电阻、继电器、蜂鸣器等连成电路，当温度升到一定程度时，蜂鸣器鸣叫。我们把这个简单的温度报警实验应用到研究焦耳定律的演示实验中去，在两个容积相同的烧瓶中装了质量相同的煤油，瓶中各放一根电阻丝和热敏电阻，接通电路，蜂鸣器先鸣叫的，证明温度上升得快，电流产生的热量多，这样我们就免去看温度计的麻烦。还探究了光敏电阻的阻值与光线变化的关系，并利用光敏电阻进行光电计数实验，当遮光板挡住光敏电阻时，感知元件光敏电阻感知到光信号发生变化，经过转换器件，使光信号的变化转换为电信号的变化，再转换为数字的变化，实现了自动计数的功能。我们可以把这种自动计数的功能应用到单摆法测重力加速度实验中去，当摆球通过光敏电阻和发光二极管之间时，实现了自动计数，省去了数数的麻烦，减少了发生错误的机会。我们还可以向学生介绍红外线防盗报警装置是运用光电传感器制成的，走廊照明灯声控开关是运用声电传感器等等在生活中传感器技术的运用，通过这些介绍，使学生感到科学的力量，激发学习科学的兴趣。

(1) 在新课标教材中，介绍了使用传感器在计算机配合下完成传统物理实验

随着科技的发展，微型计算机向各领域的渗透和广泛的应用，电子传感器正朝着集成化、智能化的方向快速发展，与电脑完美的结合，实现了实验的自动化。在新课标教材里，介绍了使用位置传感器做牛顿第二定律实验，通过位置传感器记录下滑块运动过程中位置随时间变化情况，由于采样率足够高，每秒可以达到20万次，因而能够记录下物体的瞬间变化，然后由计算机软件算出各点的速度大小，并作出速度-时间图象。运用传感器技术和计算机进行物理实验教学，显示出现代技术的强大优势，给传统实验注入了新的活力，测出的数据更精确，处理数据更快。如用微机辅助高级中学物理实验系统做单摆法测重力加速度实验，传统实验误差较大，首先是秒表的操作会有误差，另外是测量方法也带来误差，由于测量的是多个周期所用的时间，实验时间长，单摆可能会变成椭圆摆，且单摆周期也发生变化，影响测量结果。利用数据采集器测量重力加速度，实验的计时计数工作交由系统自己完成。如图1所示，实验时将光电门放置于单摆的平衡位置，使摆线挡光，而不是摆球挡光。运行专用软件，设置计时方式为“时刻-隔次”。使单摆小幅摆动，按“开始”键测量，测量多组数据后停止测量。按“数据记录”键，把数据记录到表格中进行数据分析并得出结果。

我们可以看到单摆每一个周期所用的时间差别非常之小，因此可以验证单摆具有等时性，再利用公式算出重力加速度，由于单摆的周期时间误差小，因而重力加速度的误差也小，显示了采用传感器技术做传统实验的优势。

教育部教学仪器研究所研制的“物理实验微机辅助系统”和山东远大网络多媒体有限公司的“朗威微机辅助高级中学物理实验系统”，都是利用传统器做实验，通过传感器采集实验数据，通过接口与微机连接，使微机完成数据的采集、计算、分析并展示真实的实验结果。用它们可以完成力、热、声、光、电等各类实验，提高测量的精度和速度，完成常规仪器难以完成的实验，是深层次的信息技术与传统实验的整合。使学生在掌握知识的基础上，了解现代实验技术和手段，培养了实验能力，使他们学习物理的热情和积极性得到了进一步的提高。