传感器技术在物理实验中的应用

王从戎，马明娟，陈婷，杨正雨

（合肥师范学院 物理与材料工程学院，安徽合肥230061）

对于数据测量要求精度高的、难以控制的物理实验，传统的仪器设备显然不能满足实验要求，严重降低了实验教学的效率和质量。主要表现在：现有的实验仪器普遍精度低，实验误差较大，可重复性也较差，不利于学生对物理规律的自我建构和深入理解。运动学、光学、声学、电磁学实验所要求的基本数据很难精确获得，采用仿真或虚拟代替也只是实验手段的补充，不能完全替代。实验仪器的读数仅靠人眼观察，手工记录，实验耗时费力，实验教学的效率低下[1]。因此，《普通高中物理课程标准（2017年）》教学实施建议中明确指出“要重视数字实验，创新实验方式。数字实验室系统是利用传感器、数据采集器等收集实验数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。数字实验室系统是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方法和手段。利用数字实验室系统可使很多难以测量或难以控制的实验得以顺利进行，也使很多实验的测量精度大大提升”[2]。

目前，不少信息技术公司积极研发基于传感器技术的成套数字化信息系统（DIS）来研究物理实验。传感器技术应用于物理实验，尤其是对于那些抽象的、疑难的物理实验数据的精确测量提供了一个有效的实验手段和实验方法。

本文通过传感器技术在物理实验设计中的应用案例分析，阐述传感器技术应用于物理实验的优越性、可行性和紧迫性，激励物理实验中主动采用新技术、新方法、新材料，自觉投入到实验的创新设计与研发。

1 应用传感器技术测量数据的原理

1.1 传感器技术

传感器是一类电子器件的统称。其功能首先在于“感”，即可将力、位移、速度、热、光、电、磁、电导率等多种变化量（模拟量）转换成电信号，通过电信号的变化体现对外界变化量的感知。其次在于“传”，电信号可被整形放大、转换、传输、编码、读取，再通过计算机加以数据处理。传感器的优势在于：将物理量转换成电信号，将电信号传输到数据采集器和计算机平台，具有高精度（误差小）、高速度（实时测量）、高密度（全程测量）等特点。

1.2 数字化测量

数字化测量就是数据采集分析系统，大多是通过传感器将被测量转化成电信号，再经过整形放大及A/D转换变成计算机可以识别的数字信号，再通过计算机进行数据处理的过程。数字化测量的核心内容是把模拟信号转化成数字信号。

2 实验探究：密闭气体压强变化的传递规律

2.1 实验目的

探究作用于密闭容器中的气体所产生的压强变化向各个方向传递的规律。

2.2 实验器材及装置

整个实验装置由压强传感器、数据采集器、计算机、铁架台、注射器等组成，如图1。

图1 实验装置

2.3 实验操作

A将三个压强传感器均匀固定在注射器侧面，第四个固定在底部，并用胶枪密封接口。

B将四个压强传感器与对应的数据采集器四个串口连接，并让数据采集器与计算机连接。

C打开数字化实验系统的通用软件，分别对四个压强传感器进行调零。

D打开系统界面，调整四个传感器所对应的图线处于同一界面。

E点击“开始”，然后用力缓慢推进注射器活塞，观察图线变化情况。

F保存所得图像。

2.4 图像处理（如图2）

图2 传感器测得的温度——时间变化曲线

2.5 实验结论

密封容器中的气体，在受到外界压力作用时，内部压强发生变化，这一变化能够大小不变的传向容器的各个方向。

3 实验探究：晶体的熔化规律

图3 实验装置

3.1 传统晶体熔化实验存在的问题

探究晶体的熔化规律是一个热学疑难实验，该实验主要研究晶体熔化时的温度变化规律并由此建立晶体与非晶体的概念。但是，有些教材中常常选取冰作为熔质，而且采用传统的水浴加热法（如图3）。在实际课堂教学中教师演示的实验现象和结论往往以失败而告终，很难得到冰熔化时温度近似不变的温度—时间变化图像。因此，很多教师在此实验教学的处理上，一是采取回避该实验教学，把实验探究转变成课堂直接讲授该实验的原理，操作、图像及结论的过程。二是通过播放录像材料供学生观看，然后教师强化结论，这样的实验教学处理不利于学生科学地建立物理概念与规律，也容易让学生对物理的结论产生质疑，不利于学生发展科学素养的培养。

3.2 影响晶体熔化实验的成因分析

3.2.1 熔质的选择问题 一方面，冰在高于零摄氏度以上不易保存或获取，另一方面，实验中较难测得碎冰在零摄氏度以下的温度，同时，也较难观测冰熔化前后的温度变化[3]。因此，探究晶体熔化规律实验中常常选用海波作为熔质。

3.2.2 目测读数不够精确 在传统实验教学中，我们是通过相隔一定时间读取一次温度计的示数来采集数据的。所以数据的采集是间断不连续的，很可能漏掉中间温度不变的过程。

3.2.3 冰或海波是热的不良导体 由于冰或海波均是热的不良导体，所以受热不均匀。碎冰或海波与试管内壁接触的部位到试管中心存在一个维度梯度，在越靠近试管内壁的地方温度越高[4]，达到晶体熔化需要较长的加热时间，造成温度测量的误差较大，往往中心部位融化时外围还是固态，而被误认为晶体熔化。传统实验所采用的水浴加热、石棉网、搅拌器等辅助器材，他们的共同作用，都是为了使冰或海波均匀受热，其中搅拌器和温度计同时放在本身空间就很有限的试管里，加上固态冰或海波对搅拌器的阻力较大，想要通过搅拌达到使冰或海波受热均匀的作用，实属不易，有时干脆就用温度计代替搅拌器对海波进行搅拌，在原则上是不行的，另外温度计既作为搅拌棒又测量温度极易造成温度计的损坏和测量误差。

3.2.4 海波中含有杂质 物质中含有杂质时，则其熔点往往较纯粹的物质熔点低。物质的熔点是指物质的固、液两相共存在大气压下形成平衡时的温度。当温度高于熔点时。所有的固相将全部转化为液相。若低于熔点时则由液相转变为固相。在实验过程中，我们可能会看到温度还不到48℃时海波便已经开始熔化了，即熔点低于48℃。若发现海波晶体不纯，则不宜再用，更不能重复使用。此外加热时间过长也会使海波失去结晶水，导致温度未达到48℃海波就开始熔化。

3.3 解决策略

3.3.1 b型管水浴加热法 加热方法不再采用传统的水浴加热法，采取更加有效的b型管水浴加热法（图4），充分保证了海波受热的均匀性。

b型管又称提勒管或熔点测定管。其优点是在于其下端的三角形构造可以让水均匀受热并进行良好的热循环，而且b型管中的水温变化缓慢，从而保证被加热物体（海波）的受热均匀而充分。间接也省去了对海波不停地搅拌的操作步骤。同时，为了让海波受热均匀，在实验准备阶段，应该选择干燥纯净的海波并进行充分研磨而且海波的量要少一些。由于海波是热的不良导体，为了增强其导热性，采取向海波中添加一些剪成较短的铜金属丝。

图4 b型管水浴回执装置

3.3.2 应用传感器技术采集温度数据 传统测量方法先天存在一个缺陷就是存在人为的偶然误差，虽然可以通过改进测量方法、选用更精密的测量工具、多次测量取平均值的方法来减小误差，但其影响还是不能忽略的。那么，应用传感器技术将采集到的实验数据通过计算机接口技术传输给计算机进行多元化的分析处理，具有高精度、高速度、高密度的特点，可以极大地扩展实验的可视性和可重复性。尤其是针对一些比较难以观察到的物理现象，转瞬即逝，而用传感器就可以非常精确、快捷地进行捕捉。在数据处理上利用计算机的强大数据处理能力，可使学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来。

按图4所示，把b型管水浴加热装置固定于铁架台上，然后将温度传感器缓慢插入海波中央（注意不要触及试管底部）、固定温度传感器后再将其与数据采集器以及计算机连接，打开数字化实验系统的通用软件，对温度传感器进行调零，打开系统界面，点击“开始”，观察图线变化情况，保存采集到的海波熔化实验的温度随时间变化的图像（如图5）。

图5 海波数字化的温度—时间图像

从图5可以很直观、清晰地看到海波熔化过程中的温度随时间变化的趋势，而且熔化时的温度不变现象也非常明显。学生一目了然，水到渠成地得到晶体海波熔化的规律。

4 结语

应用传感器技术进行实验数据的测量是教育信息化发展的需要，特别是对于难以测量或难以控制的物理实验得以顺利进行，使得实验数据的测量精度大大提升，提高了实验教学的效率和质量。

传感器技术应用于物理实验有其独特的精确性和可靠性，因此，在实验教学及实验设计中应大力提倡新技术、新方法、新材料的运用，鼓励实验的创新设计与研发。但是，运用传感器技术进行传统实验的数字化改造是实验教学条件现代化重要的一环，但不能只注重形式，在进行数字化实验之前，应尽可能细致、详实地进行传统实验的操作，在此基础上再运用传感器技术进行传统实验的数字化改造、将传统实验与数字化实验融合[5]。