上海學(xué)科二期課改高一物理第一章D現(xiàn)代實驗技術(shù)――數(shù)字化信息系統(tǒng)(DIS)教案上科版

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1、第一章 D 現(xiàn)代實驗技術(shù)——數(shù)字化信息系統(tǒng)（ DIS ） 一 .教學(xué)任務(wù)分析 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(zhǔn)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

2、 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。 二．教學(xué)目標(biāo) 1 ．知識與技能 （ 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。 2 ．過程與方法 （ 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

3、 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(rèn)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。 3 ．情感、態(tài)度與價值觀 （ 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。 三、教學(xué)重點和難點 重點：熟悉 DIS 的構(gòu)成和使

4、用方法。 難點 ： 用 DIS 測量勻速直線運動物體的位移和速度。 四、教學(xué)資源 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。 五、教學(xué)設(shè)計思路 本設(shè)計的內(nèi)容包括三個方面：一是數(shù)字化信息系統(tǒng)（ DIS）的介紹；二是練習(xí)使用 DIS;三 是用DIS測量運動物體的位移和速度。 本設(shè)計的基本思路是：以生活實際和實驗為基礎(chǔ)，通過對傳統(tǒng)實驗儀器和 DIS傳感器測量 物理量的比較，使學(xué)生

5、對 DIS的構(gòu)成、使用方法有感性認(rèn)識和實踐體驗；在此基礎(chǔ)上利用 DIS 位移傳感器進一步探究勻速直線運動物體的 s-t圖像和v-t圖像的物理意義，并求出運動物體的 速度。 本設(shè)計要突出的重點是：熟悉 DIS的構(gòu)成和使用方法。方法是：通過提出“如何測量物理 教科書體積，實驗桌面積，教室內(nèi)地面面積及運動物體在某段時間內(nèi)位移”等問題創(chuàng)設(shè)情景，讓 學(xué)生通過分組實驗分析討論傳統(tǒng)實驗儀器測量物理量的優(yōu)缺點，引出數(shù)字化信息系統(tǒng)（ DIS）測 量的優(yōu)越性，并介紹 DIS的含義、構(gòu)成和實驗框圖；然后通過“練習(xí)使用 DIS”分組實驗，使學(xué) 生熟悉DIS的構(gòu)成和使用方法，并通過“大家談”形式進行類比，得

6、出物理測量的三個組成部 分。 本設(shè)計要突破的難點是：用 DIS測量勻速直線運動物體的位移和速度。方法是：以作勻速 直線運動的物體為例，運用 DIS的數(shù)據(jù)采集、列表、作圖、擬合功能，實時得出運動物體的 s-t 圖像和v-t圖像，并從中求出運動物體的速度。 本設(shè)計重視物理量測量的基本過程，重視培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能，提高學(xué)生的實驗素養(yǎng)。 完成本設(shè)計的教學(xué)任務(wù)需 2課時。 2、流程圖說明 情景實驗1和設(shè)問1 通過分組實驗，以“用傳統(tǒng)實驗儀器測量物理教科書體積，實驗桌面積，教室內(nèi)地面面 積及運動物體在某段時間內(nèi)的位移”創(chuàng)設(shè)情景提出問題，隨后讓學(xué)生交流用傳統(tǒng)測量工具測 量物理量的

7、體會。 活動 I 和活動 II DIS 實驗 1 和大家談 通過 “練習(xí)使用 DIS ” 學(xué)生實驗， 使學(xué)生熟悉 DIS 的構(gòu)成和使用方法， 并通過 “大家談” 的形式，通過類比得出物理測量的三個組成部分。 活動 III DIS 實驗 2 通過“用 DIS 測量運動物體的位移和速度”實驗，使學(xué)生初步學(xué)會數(shù)據(jù)采集，列表，作 圖、擬合、轉(zhuǎn)換等實驗技能，理解勻速直線運動物體 s-t 圖像和 v-t 圖像的物理意義。 活動 IV 小結(jié)歸納 通過 “大家談” 的形式讓學(xué)生談?wù)劚竟?jié)課的收獲和體會， 由師生共同歸納得出 DIS 實驗 “實時、定量、快速、直觀”的特點，并進一步指出傳統(tǒng)實驗和

8、數(shù)字化實驗的整合代表了新 物理實驗改革的方向； 問題 設(shè)計方案 通過設(shè)置課后思考題， 進一步引導(dǎo)學(xué)生進行拓展聯(lián)想， 鼓勵學(xué)生利用 DIS 在課外進行進 一步的探究和創(chuàng)新，實現(xiàn)“帶著問題進課堂、帶著問題出課堂”的教學(xué)設(shè)計意圖。 七、教學(xué)案例 （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)：

9、 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

10、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DIS 實驗?zāi)康模菏煜?DIS的使用方法 實驗器材：DIS （位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等） ；刻度尺。 實驗裝置：如圖 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，

11、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 卜飛 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（e 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。 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

12、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 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。 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。 實驗裝置： 用心 愛心 專心 ■■■■■ 研究勻速直線運動裝置圖 實驗步驟：(供參考) (1)將位移傳感器的發(fā)射器固定在

13、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)“位移一時間”坐標(biāo)。 (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” ， 獲得位移一時間圖像，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)

14、點擊“選擇區(qū)域"按鈕，在s-1圖像上選擇研究區(qū)域。 點擊鼠標(biāo)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。 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) 。 (略) (六)拓展聯(lián)想、課外探究 你

15、還了解哪些現(xiàn)代測量工具替代傳統(tǒng)的測量工具的實例？ 設(shè)計方案：DIS位移傳感器在哪個測量范圍內(nèi)數(shù)值較為精確？ 設(shè)計方案：如何用 DIS位移傳感器測出書本的體積，實驗桌的面積？ 設(shè)計方案：尋找其他作勻速直線運動的物體，或者自己制造一個可能的勻速直線運動， 然后用DIS加以檢驗，看是不是勻速直線運動并測出速度大??？ 設(shè)計方案：運用 DIS研究以下物體的運動 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(biāo)準(zhǔn)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

16、感器 -1A ?+1A 10mA 電壓傳感器 -10V ?+10V 10mV 微電流傳感器 -1心?+1 1A / 溫度傳感器 -10 C ?+110C 0.1 C 壓強傳感器 0 ?300kPa 士 0.1 kPa 力傳感器 20N/ 10N 0.1N 磁感應(yīng)強度傳感器 士 15mT 0.1mT 位移傳感器 0 ?200cm 1mm 光電門傳感器 / 0.01mS 聲波傳感器 100Hz ?1KHz 1ms 光強傳感器 / 1mm G-M傳感器 40000cpm （最大計數(shù)率） 1cpm

17、 用心 愛心 專心 (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 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

18、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(fù) 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(fù)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

19、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(zhǔn)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(fù)值。 (9)磁傳感器：磁傳感器探管前端內(nèi)置磁敏元件，使用

20、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(dāng)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(dāng)傳感器的探管指向被測磁場的 N極，即磁感線從探管 頂端處進入傳感器時， 測量值呈負(fù)值，如圖所示。示數(shù)的絕對值即為測量點處平行于探管方向的 磁感強度分量。 磁傳感器 磁傳感器測量值為正 磁傳感罌 磁傳感器測量值為負(fù) (10)光電門傳感器：使用高精度光敏器件構(gòu)成連續(xù)的光路。 在已知運動物體長度的條件下, 記錄該物體遮擋光路的時間， 即可得出物體的運動速度。 下圖為本市某中學(xué)利用兩個光電門探究 加速度與力、物體質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置圖(未顯示計算機) 。