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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。 ......
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