【教學(xué)設(shè)計】《現(xiàn)代實驗技術(shù)——數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）》（物理滬科高一上冊）.docx

教材分析現(xiàn)代實驗技術(shù)數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）應(yīng)用傳感器和數(shù)據(jù)采集器自動獲取和輸入實驗數(shù)據(jù)，通過計算機的快速處理得到實驗的結(jié)果，提高了教學(xué)效率，使學(xué)生可以有更多的時間用于自主探究活動，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式。學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容所需準備的知識和技能主要有：（1）勻速直線運動物體的圖像描述；（2）位移、速度的概念；（3）長度的測量。通過實例（利用傳統(tǒng)測量工具測量長度）的測量和討論，感受引入DIS的優(yōu)點。結(jié)合“練習(xí)使用DIS”實驗，了解DIS的構(gòu)成和使用方法，并練習(xí)測定位移傳感器的測量范圍，歸納得出測量的三個組成部分。通過“用DIS測量運動物體的位移和速度”實驗，初步學(xué)會用圖像描述和研究物體的運動規(guī)律，進一步理解s-t圖像和v-t圖像的物理意義。 教學(xué)目標【知識與能力目標】1、知道物理測量的三個組成部分。2、知道DIS的含義、構(gòu)成和使用方法。3、初步學(xué)會組裝DIS，用DIS獲取實驗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和得出實驗圖像。4、進一步理解勻速直線運動物體的s t圖像和v t圖像的物理意義。【過程與方法目標】1、通過對DIS實驗數(shù)據(jù)的采集、列表、作圖、擬合和轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的處理過程，感受研究物理規(guī)律的科學(xué)方法和基本過程。2、通過對傳統(tǒng)儀器與DIS測量物理量過程的類比研究，認識物理實驗的一般過程和方法。3、通過應(yīng)用DIS對幾種直線運動情況的實驗研究，感受圖像法是分析和研究物理問題的有效方法之一?！厩楦信c態(tài)度目標】1、通過對傳統(tǒng)實驗儀器與DIS傳感器測量物理量過程的對比，體驗數(shù)字化、信息化技術(shù)帶來的革命性的變化，提高學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。2、通過應(yīng)用DIS對物體運動情況的實驗研究，感悟物質(zhì)運動的多樣性與復(fù)雜性，建立團結(jié)協(xié)作的意識，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度。 教學(xué)重難點【教學(xué)重點】：熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法。【教學(xué)難點】：用DIS測量勻速直線運動物體的位移和速度。 課前準備1、學(xué)生實驗器材：米尺，三角尺（或直尺），皮尺（或卷尺），計算器；DIS（位移傳感器，數(shù)據(jù)采集器、計算機等）及配套的力學(xué)軌道，小車。2、演示實驗器材：DIS（位移傳感器，數(shù)據(jù)采集器、計算機等）及配套力學(xué)軌道，小車。3、自制課件。 教學(xué)過程復(fù)習(xí)導(dǎo)入復(fù)習(xí)回顧描勻速直線運動的圖像的特點。新課導(dǎo)入一、創(chuàng)設(shè)情景，提出問題學(xué)生分組實驗1、一本物理教科書的體積有多大？實驗桌的面積有多大？教室內(nèi)的地面面積是多少，請同學(xué)們動手測量一下？2、讓一位同學(xué)手持卷尺的一端做直線運動（單向或雙向運動都可），請另一位同學(xué)通過卷尺刻度測出某段時間內(nèi)該位同學(xué)運動的位移？設(shè)問：用傳統(tǒng)測量工具測量物理量的體會是什么？小結(jié)：用刻度尺測量距離靠人眼觀察、手工記錄，操作耗時費力，測量精度較低，效率不高，實時測量有一定的困難。中學(xué)物理課程中引入了數(shù)字化信息系統(tǒng)（簡稱DIS），給物理量的測量帶來了革命性的變化，下面簡單介紹如何用現(xiàn)代技術(shù)手段做物理實驗。二、引入DIS，介紹概況1、DIS：是Digital Information System的縮寫，意為數(shù)字化信息系統(tǒng)。利用現(xiàn)代信息技術(shù)進行實驗研究，我們稱做DIS實驗。2、DIS：是Digital Information System Laboratory的縮寫，意為數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室，是由“傳感器數(shù)據(jù)采集器計算機（裝有實驗軟件包）”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。3、DIS的構(gòu)成、系統(tǒng)框圖和傳感器使用方法可參考附錄。三、實驗探究，操作應(yīng)用應(yīng)用示例1：練習(xí)使用DISl 實驗?zāi)康模菏煜IS的使用方法l 實驗器材：DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等）；刻度尺。l 實驗裝置：如圖l 實驗步驟：（供參考）（1）將位移傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計算機相連構(gòu)成DIS實驗系統(tǒng)。（2）開啟數(shù)據(jù)采集器電源和位移傳感器發(fā)射器部分的電源后，打開教材專用軟件，點擊實驗條目上的“練習(xí)使用DIS位移傳感器”。（3）將位移傳感器的發(fā)射器與接收器相對放置，點擊開始記錄，觀察計算機界面上的數(shù)據(jù)變化，并與刻度尺的測量結(jié)果進行比較。（4）改變接收器和發(fā)射器的相對位置，測量其可測的最大、最小距離和角度范圍如圖，并將實驗結(jié)果填入表格中。發(fā)射器接收器實驗記錄：位移傳感器的測量范圍最大距離（cm）最小范圍（cm）測量角度范圍（）l 大家談：用刻度尺和DIS位移傳感器測量距離有何不同和相同的地方？相同處：任何測量都有三個組成部分。探測器記錄，處理和顯示被測對象不同處：傳統(tǒng)實驗儀器精度較低、誤差較大、可重復(fù)性較差。DIS具備“實時實驗”功能，數(shù)據(jù)采集、處理和分析都由計算機完成，測量時間省、精度高，誤差小，傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗的整合代表了新物理實驗改革的方向。四、知識遷移，學(xué)以致用前面我們已經(jīng)學(xué)過勻速直線運動物體的s-t圖像和v-t圖像，今天我們就用DIS來研究勻速直線運動物體的運動情況，進一步理解這兩個圖像。應(yīng)用示例2：用DIS測定運動物體的位移和速度l 實驗?zāi)康模貉芯縿蛩僦本€運動物體的s-t圖像和v-t圖像，并從中求出物體運動的速度。l 實驗器材：DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等）、DIS配套力學(xué)軌道、小車。l 實驗裝置：研究勻速直線運動裝置圖l 實驗步驟：（供參考）（1）將位移傳感器的發(fā)射器固定在小車上，接收器固定在力學(xué)軌道右端（軌道稍傾斜，使小車能做勻速直線運動），將接收器與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計算機相連，構(gòu)成DIS實驗系統(tǒng)。（2）開啟數(shù)據(jù)采集器電源和位移傳感器發(fā)射器部分的電源，打開教材專用軟件，點擊實驗條目上的“測量運動物體的位移和速度”，屏上將出現(xiàn)“位移時間”坐標。（3）點擊“開始記錄”，將小車放到軌道上，令其滑下。數(shù)據(jù)采集完成，點擊“停止記錄”，獲得位移時間圖像，從點的走向可以大致看出小車位移隨時間變化的規(guī)律。（4）拖動滾動條，將對應(yīng)小車運動狀態(tài)的s-t圖像置于顯示區(qū)域中間，點擊“擬合”，得出位移隨時間變化的曲線。（5）點擊“選擇區(qū)域按鈕，在s-t圖像上選擇研究區(qū)域。點擊鼠標確定研究區(qū)域的“開始點”；再次點擊，以確定研究區(qū)域的“結(jié)束點。此時在軟件界面左下方的數(shù)據(jù)窗口中，即可顯示出研究區(qū)域內(nèi)s-t 圖線的初位移、末位移、時間差、速度的值。（6）點擊“v-t圖像，觀察研究區(qū)域內(nèi)s-t圖像對應(yīng)的v-t圖線。l 大家談：如果實驗得到的s-t圖呈曲線，v-t圖像呈非水平直線，問題的原因是什么？答：說明小車未作勻速直線運動，應(yīng)調(diào)節(jié)力學(xué)軌道的傾斜度重做實驗。五、小結(jié)歸納，理清思路讓學(xué)生談?wù)劚竟?jié)課的收獲（包括知識性的、能力性的、興趣等方面）。六、布置作業(yè)：調(diào)研相關(guān)資料：哪些現(xiàn)代測量工具替代傳統(tǒng)的測量工具的實例？ 教學(xué)反思略。附錄：1、DIS的構(gòu)成（以DISLabV5.0為例）（1）傳感器：把實驗中測量的各種物理量轉(zhuǎn)換成標準的電信號，并把這些信號傳遞給數(shù)據(jù)采集器。DIS配備了多種傳感器，詳見下表。傳感器名稱量 程分 度電流傳感器-1A+1A10mA電壓傳感器-10V+10V10mV微電流傳感器-1A+1A/溫度傳感器-10+1100.1壓強傳感器0300kPa0.1 kPa力傳感器20N/10N0.1N磁感應(yīng)強度傳感器15mT0.1mT位移傳感器0200cm1mm光電門傳感器/0.01mS聲波傳感器100Hz1KHz1ms光強傳感器/1mmG-M傳感器40000cpm（最大計數(shù)率）1cpm傳感器和數(shù)據(jù)采集器（2）數(shù)據(jù)采集器：把實驗中用傳感器采集到的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給計算機。DIS數(shù)據(jù)采集器采用四路并行輸入，可同時接插四種傳感器。（3）計算機（裝有實驗軟件包）：通過實驗軟件包中的教材專用軟件和教材通用軟件，以數(shù)值顯示、圖表、曲線等各種方式表現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，并可根據(jù)要求對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)公式計算、曲線猜想與擬合等各種分析與處理。2、DIS實驗系統(tǒng)框圖：計 算 機數(shù) 據(jù) 采 集 器傳 感 器計 算 機數(shù) 據(jù) 采 集 器傳 感 器教材專用軟件教材通用軟件力傳感器聲傳感器溫度傳感器壓強傳感器位移傳感器電流傳感器電壓傳感器微電流傳感器磁感強度傳感器光電門傳感器光強傳感器G-M傳感器DIS系統(tǒng)構(gòu)成3、傳感器使用方法簡介： （1）電流傳感器：使用方法與電流表類似，使用時把電流傳感器串聯(lián)在電路中。如果待測電流從電流傳感器的紅色線流入，黑色線流出，顯示的數(shù)值為正數(shù)；如果反接，顯示的數(shù)值為負數(shù)。（2）微電流傳感器：一般用于定性觀察實驗，其使用方法與電流傳感器類似。（3）電壓傳感器：使用方法與電壓表類似，使用時把電壓傳感器并聯(lián)在電路中。如果電壓傳感器的紅色線接到電路的高電位端，黑色線接到低電位端，顯示的數(shù)值為正數(shù)。如果反接，顯示的數(shù)值為負數(shù)。（4）壓強傳感器：用于測量氣體壓強，其讀數(shù)為絕對壓強值，無需通過大氣壓加以換算。使用時應(yīng)保證被測氣體容器與壓強傳感器前端的軟管連接緊密。（5）溫度傳感器：使用方法類似溫度計，其溫度敏感元件置于傳感器金屬探針的頂端，使用時要讓被測物體與此處充分接觸。（6）聲傳感器：聲傳感器的敏感器件置于傳感器前端，使用時要將其對準聲源。（7）位移傳感器：由超聲波發(fā)射模塊和接收模塊兩部分構(gòu)成。使用時將位移接收模塊與數(shù)據(jù)采集器連接，位移發(fā)射模塊與運動物體固定在一起，或直接將其作為運動物體（如振子、落體等）使用。（8）力傳感器：既可測量拉力，又可測量壓力。軟件中規(guī)定：拉力的示數(shù)為正值，壓力示數(shù)為負值。（9）磁傳感器：磁傳感器探管前端內(nèi)置磁敏元件，使用時需接入數(shù)據(jù)采集器預(yù)熱幾分鐘，待讀數(shù)穩(wěn)定后再進行測量。軟件規(guī)定：當傳感器的探管指向被測磁場的S極，即磁感線經(jīng)傳感器從探管頂端處穿出時，測量值呈正值；當傳感器的探管指向被測