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利用传感器探究绝缘体变导体


□ 谢紫娟 张文杰 邱胤发

  在传统的中学物理实验中,定性实验多,定量实验少;验证实验多,探究实验少。基于传感器技术的数字化实验技术有助于将中学物理实验定量化和探究化。如何应用传感器技术让学生进行物理探究学习?学生在解决实际问题时又有什么认知困难?本文利用传感器技术对绝缘体变导体进行了探究,希望能够对中学一线教师有所帮助。
  
  一、激发学习动机
  
  课开始后,教师先提出一些问题激起学生学习兴趣。例如教师问“在我们的周围,有些是导体,有些是绝缘体,根据你们已有的知识,你们认为哪些物体是导体,哪些物体是绝缘体?干燥的木头是绝缘体,是不导电的,而潮湿的木头是导体,是导电的,为什么?玻璃也是绝缘体,它能变为导体吗?怎样使玻璃由绝缘体变为导体?”
  有了这些问题,学生的学习动机就被激发出来。提出问题也是探究学习的开始。
  
  二、例举实验过程
  
  1.准备实验仪器
  实验前要准备好以下实验器材,包括装有Windows2000以上操作系统的计算机、数据采集器、数据线、微电流传感器(-1~+1)、干电池(两节)、电键、酒精灯、滑动变阻器(0~10)、导线若干、玻璃棒、铁架台(两个)、试管夹(两个)。
  2.开始实验过程
  第一,用数据线把数据采集器和计算机连接起来,然后将微电流传感器(-1~+1)与对应的数据采集通道相连接,并启动数字化实验室系统软件。
  第二,将玻璃棒用试管夹固定在铁架台上,把铜丝线圈分别缠绕在玻璃棒两端,然后和微电流传感器(-1~+1)、滑动变阻器(0~10)、电键、电源组成串联电路。如图1所示。
  第三,打开数字化实验室系统软件菜单,设置数据采集样点时间间隔为0.2秒。为了实时动态记录和观察玻璃随温度变化而导电的情况,将显示模式换成波形模式,同时打开坐标绘图和数据记录功能。闭合电路并点燃酒精灯加热玻璃棒,点击开始采集数据按钮,绘制“时间-电流”曲线如图2。
  第四,熄灭酒精灯,采集数据,绘制“时间-电流”曲线如图3所示。
  
  第五,在坐标绘图中同步显示“时间-电流”曲线,点击鼠标右键就可以得到坐标显示如图4所示。同时在数据记录中可以得到从实验开始到结束随时间变化的电流值。
  
  3.实验结果分析
  波形显示窗口清晰地描绘出了微电流传感器对闭合电路中电流大小的检测情况,在刚加热玻璃棒时,闭合电路中电流的大小为零,说明玻璃棒是绝缘体。随着对其加热的时间增长,闭合电路中的电流大小就不为零了,逐渐增大,在图2中可以清晰地看出烧红的玻璃已变成了导体。
  熄灭酒精灯,玻璃棒温度降低,闭合电路中电流由大逐渐变小直到为零,采集数据绘制“时间-电流”曲线如图3所示。烧红的玻璃由导体又变为绝缘体。
  玻璃在常温下是绝缘体,玻璃内几乎没有自由电子,被加热到红炽状态时,玻璃内的电子挣脱分子的束缚成为自由电子,绝缘体玻璃就变成了导体。绝缘体和导体之间没有绝对的界限,在某种条件下,它们可以相互转化。
  通过以上探究和分析学生对绝缘体变导体有了基本的了解。如果将两铜丝线圈间距增大,会发生什么变化?其他条件不变,增大闭合电路中的电压会产生什么结果?如果采用玻璃管,得到的结果和玻璃棒一样吗?针对上述猜想和假设,可以进一步实验探究。
  4.综述实验结论
  利用微电流传感器对绝缘体变导体进行深入的探究和学习,了解到玻璃在常温下是绝缘体,但被加热到红炽状态时就变成了导体。绝缘体和导体之间没有绝对的界限,在某种条件下可以相互转化。在整个探究过程中,学生们对绝缘体、导体以及绝缘体变导体有了更深的理解和认识,同时在实际探究活动中锻炼和培养了观察动手能力。
  
  三、数字实验优势
  
  基于传感器技术的数字实验能够借助信息技术具体地将数值、图像、文字展示出来,弥补了传统实验的缺陷。实验结果也实现了由传统实验定性分析到数字实验的定量分析,充分体现数字实验集智能化数据记录、数据分析和自动控制等功能于一体的优势,实现了中学物理实验数据采集的数字化和自动化、数据处理和数据分析的智能化。基于传感器技术的数字化科学探究活动,为有效实现信息技术与学科教学的整合提供了新的平台,为学生探究科学规律提供了新的契机。
  
  (作者单位:广西玉林师范学院广西平南县大安四中)
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