传感器与数字化实验课件.ppt

1、目录目录1.1.背景背景2.2.基本要求基本要求3.3.什么是什么是DISDIS实验（数字化实验）？实验（数字化实验）？4.4.传感器介绍传感器介绍5.5.DISDIS实验的特点实验的特点6.6.DISDIS实验举例实验举例7.7.本次实验内容本次实验内容8.8.实验报告要求实验报告要求背景背景 由于数字化实验与传统实验相比具有明显由于数字化实验与传统实验相比具有明显的特色和优势，其对中学化学教学的促进作用的特色和优势，其对中学化学教学的促进作用越来越明显。作为未来的准教师和新课程的执越来越明显。作为未来的准教师和新课程的执行者，我们有必要了解和认识数字化实验。希行者，我们有必要了解和认识数字

2、化实验。希望大家在今后的教学工作中，对数字化实验进望大家在今后的教学工作中，对数字化实验进行深入探讨，将其引入到教学实践中，改善教行深入探讨，将其引入到教学实践中，改善教学效果。学效果。基本要求基本要求 本次实验后，同学们在实验技能方面要求：本次实验后，同学们在实验技能方面要求：1.了解了解DIS实验系统的基本构成，实验系统的基本构成，DIS实验系统的工作实验系统的工作 原理；原理；2.了解了解DIS实验系统所提供的传感器种类，实验系统所提供的传感器种类，DIS能完成能完成 哪些中学化学实验；哪些中学化学实验；3.能够根据需要正确组装相应的实验设备，能将传感能够根据需要正确组装相应的实验设备，

3、能将传感 器、数据采集器和计算机进行正确连接；器、数据采集器和计算机进行正确连接；4.熟悉专用软件的各项功能的应用，能使用专用软件熟悉专用软件的各项功能的应用，能使用专用软件 对实验数据进行采集、分析和处理，熟悉通用软件对实验数据进行采集、分析和处理，熟悉通用软件 的基本功能和操作；的基本功能和操作；5.能利用能利用DIS实验系统完成一至二个实验，依实验系统完成一至二个实验，依 据实验过程和结果分析据实验过程和结果分析DIS实验的优势和不足。实验的优势和不足。基本要求基本要求 本次实验后，同学们在实验教学方面要求：本次实验后，同学们在实验教学方面要求：1.明确明确DIS作为一种新的实验教学载体

4、，在中学化学作为一种新的实验教学载体，在中学化学实实 验教学中的作用；验教学中的作用；2.通过经历完整的通过经历完整的DIS实验过程找到学生在实验过程中实验过程找到学生在实验过程中 容易遇到的在操作和理解上的相关问题，并尝试找容易遇到的在操作和理解上的相关问题，并尝试找 出解决方案；出解决方案；3.结合自身操作体验和相关资料，分析结合自身操作体验和相关资料，分析DIS实验与传统实验与传统 实验相比其特点和优势，针对中学实际教学情况，实验相比其特点和优势，针对中学实际教学情况，归纳出能体现其优势的实验项目清单；归纳出能体现其优势的实验项目清单；4.能借助能借助DIS这一实验平台，适时指导中学生进

5、行自主这一实验平台，适时指导中学生进行自主 设计、完成探究性实验。能借助设计、完成探究性实验。能借助DIS这一平台开发新这一平台开发新 的实验项目、自制教学仪器；的实验项目、自制教学仪器；5.能利用学生进行能利用学生进行DIS实验这一契机，适时介绍现代信实验这一契机，适时介绍现代信 息技术对人类生活带来的影响，有效地进行息技术对人类生活带来的影响，有效地进行STS教教 育。育。什么是数字化实验什么是数字化实验 数字化信息系统，简称数字化信息系统，简称“DIS(Digital Information System)”，是一种基于传感技术和计算机技术的自然科学实验，是一种基于传感技术和计算机技术的

6、自然科学实验研究平台。该系统主要由传感器（及其适配连接装置）、计算研究平台。该系统主要由传感器（及其适配连接装置）、计算机、数据采集器和实验分析软件组成，集化学测量、自动控制机、数据采集器和实验分析软件组成，集化学测量、自动控制、数据记录、智能化数据分析和测量结果多模显示于一体。使、数据记录、智能化数据分析和测量结果多模显示于一体。使用时，由各类传感器探测科学探究实验数据信息，并实时传输用时，由各类传感器探测科学探究实验数据信息，并实时传输到数据采集器，数据采集器将有关信息转化为数字形式传输到到数据采集器，数据采集器将有关信息转化为数字形式传输到计算机，自动或手动由电脑运行实验软件包，完成对实

7、验过程计算机，自动或手动由电脑运行实验软件包，完成对实验过程和结果的实时显示、监控、记录、图像绘制、数据处理与分析和结果的实时显示、监控、记录、图像绘制、数据处理与分析。数字化信息系统数字化信息系统采采 集集 器器 计算机和软件计算机和软件 DIS 各各 种种 传传 感感 器器 Digital Information System数字化信息系统数字化信息系统 本实验所使用的数字化实验设备为上海中小学数本实验所使用的数字化实验设备为上海中小学数字化实验系统研发中心与山东远大网络多媒体公司联字化实验系统研发中心与山东远大网络多媒体公司联合开发朗威合开发朗威R-DISLab(数字化信息系统实验室数字

8、化信息系统实验室)，其整，其整体组成如下图：体组成如下图：将传感器和计算机引入实验教学将传感器和计算机引入实验教学传统实验传统实验 数字化实验数字化实验 数字化信息系统数字化信息系统 数字化信息系统数字化信息系统传感器传感器 传感器是数字化实验的核心部件。传感器是数字化实验的核心部件。“感感”将化将化学量转化成电信号；学量转化成电信号；“传传”将电信号传递到数据将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，每组传感压传感器

9、、光传感器、声传感器等等，每组传感器的侧面都配有一个数据线接口，方便与采集器器的侧面都配有一个数据线接口，方便与采集器连接。连接。传感器传感器狭义地定义：狭义地定义：能够将外界的非能够将外界的非电电信号，按一定规律信号，按一定规律转换成转换成电电信号输出的器件或装置。信号输出的器件或装置。温度变化温度变化 电阻值变化电阻值变化 热敏电阻热敏电阻触摸屏是怎么感知的？触摸屏是怎么感知的？使用者翻动手机选择使用者翻动手机选择“响铃响铃”或或“震铃震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和摇晃手机变换不同的铃声和游戏；游戏；音乐和壁纸随着人们的动作音乐和壁纸随着人们的动作而变化。而变化。摇晃你的手机摇晃你的手机

10、 传感器传感器身边的传感器身边的传感器CCD热敏电阻热敏电阻传声器传声器温控器温控器力传感器力传感器温度开关温度开关微电流传感器微电流传感器 用于针对各种微安用于针对各种微安级电流的定性观察实验。级电流的定性观察实验。使用时将其串联在电路使用时将其串联在电路中，如果显示电流为正中，如果显示电流为正值，表明电流方向由红值，表明电流方向由红线入传感器，有黑线出；线入传感器，有黑线出；反之，表明电流方向相反之，表明电流方向相反。反。注意：注意：注意不要将微电注意不要将微电流传感器接入有源电路，流传感器接入有源电路，否则易因超量程造成传否则易因超量程造成传感器损坏。感器损坏。力传感器力传感器 力传感器

11、的敏感器件为压力应力传感器的敏感器件为压力应变计。其外观设计严格按照人机工变计。其外观设计严格按照人机工程学的原则，采用独创的手柄构造，程学的原则，采用独创的手柄构造，轻松持握，便于使用，并能够与铁轻松持握，便于使用，并能够与铁架台、力矩盘等教具紧密配合使用，架台、力矩盘等教具紧密配合使用，可测量拉力、压力。压力为正，拉可测量拉力、压力。压力为正，拉力为负。力为负。注意：注意：使用前应对传感器进行软件使用前应对传感器进行软件调零。请注意软件的超量程报警提调零。请注意软件的超量程报警提示，切勿超量程使用。实验结束后示，切勿超量程使用。实验结束后务必除去砝码等重物，避免传感器务必除去砝码等重物，避

12、免传感器长时间处于受力状态。长时间处于受力状态。数字化信息系统怎样工作？数字化信息系统怎样工作？F 数据采集器数据采集器数据采集器与计算机以数据采集器与计算机以USB方式通信，方式通信，采用四路并行输入，可以同时接插四采用四路并行输入，可以同时接插四种传感器。传感器接入口和计算机种传感器。传感器接入口和计算机USB接入口如图所示。采集器连入计接入口如图所示。采集器连入计算机算机USB接口后，即可通过计算机给接口后，即可通过计算机给采集器供电，因此无需外接电源。透采集器供电，因此无需外接电源。透过透明机壳，可见红色的工作指示灯过透明机壳，可见红色的工作指示灯发亮，蓝色的指示灯出现闪烁，表明发亮，

13、蓝色的指示灯出现闪烁，表明采集器已经正常工作，可随时接入传采集器已经正常工作，可随时接入传感器进行实验感器进行实验.数据采集器数据采集器采集器有采集器有4个通道，可以个通道，可以同步采集和显示数据。同步采集和显示数据。在实验设计中，可充分在实验设计中，可充分利用这一特点，在一个界利用这一特点，在一个界面内，多角度同时检测和面内，多角度同时检测和显示这些信息。显示这些信息。多数据并行测量多数据并行测量 软件系统软件系统 计算机软件系统包括计算机软件系统包括通用软件通用软件和和专用软件专用软件。专用软件专用软件是根据教材提供是根据教材提供的实验，从原理到操作，已经全部设的实验，从原理到操作，已经全

14、部设置好，学生只要改变初始的实验条件置好，学生只要改变初始的实验条件与实验数据，马上就可以得出实验结与实验数据，马上就可以得出实验结果，方便快捷；果，方便快捷；通用软件通用软件是严格按照是严格按照教学要求并参照主流工具软件模式开教学要求并参照主流工具软件模式开发的智能化实验数据采集处理平台，发的智能化实验数据采集处理平台，具备即插即用、自动识别（传感器）、具备即插即用、自动识别（传感器）、多模显示、并行采集、组合显示、自多模显示、并行采集、组合显示、自由坐标、数据计算、图线分析（拟合、由坐标、数据计算、图线分析（拟合、求导、几分等）等强大功能，全面支求导、几分等）等强大功能，全面支持学生自主研

15、究和研究性学习。对于持学生自主研究和研究性学习。对于通用软件各项功能的使用请参阅用户通用软件各项功能的使用请参阅用户手册相关内容。手册相关内容。计算机软件计算机软件 教学专用软件教学专用软件 根据教材要求和教根据教材要求和教学过程，针对每个实验学过程，针对每个实验专门设计、量身定制。专门设计、量身定制。教学通用软件教学通用软件数字数字 图线图线 表格表格 指针指针 根据用户不同需求，提供多种功能根据用户不同需求，提供多种功能。用计算机处理数据用计算机处理数据传统实验装置传统实验装置 用传感器采集数据用传感器采集数据DIS实验实验 使用使用数字化信息系统的数字化信息系统的 DIS 实验实验 DI

16、S实验不是新的实验项目，只是在传统实验实验不是新的实验项目，只是在传统实验基础上，用传感器采集数据，用计算机处理数据。基础上，用传感器采集数据，用计算机处理数据。DIS实验系统的功能及其特点实验系统的功能及其特点 数字化信息系统是将传感器、计算数字化信息系统是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。规范。DIS 以其丰富的传感器，准确、快以其丰富的传感器，准确、快速的测量，以及多功能的软件支撑，为速的测量，以及多

17、功能的软件支撑，为学生提供了一个科学探索的技术平台。学生提供了一个科学探索的技术平台。DIS 实验的特点实验的特点（1）能够在很短的时间内采集和处理大量的实验数）能够在很短的时间内采集和处理大量的实验数据，不仅显著提高了实验效率，而且使实验结果据，不仅显著提高了实验效率，而且使实验结果准确度和精确度得到大幅度提升。准确度和精确度得到大幅度提升。（2）能够检测信号量的微小变化和瞬间变化，使实）能够检测信号量的微小变化和瞬间变化，使实验的研究范围大大扩展并能实时显示、存储、传验的研究范围大大扩展并能实时显示、存储、传输、统计、拟合、分析实验数据。输、统计、拟合、分析实验数据。（3）能够满足全国合地

18、方各种版本的中学及其他类）能够满足全国合地方各种版本的中学及其他类型学校理科新教材要求，不仅有效实现了信息技型学校理科新教材要求，不仅有效实现了信息技术与学科实验的完美整合，而且方便开展综合理术与学科实验的完美整合，而且方便开展综合理科探究实验，实现学科之间的交叉与融合。科探究实验，实现学科之间的交叉与融合。（4）能够提供固定性和开放性相结合的软、硬件实）能够提供固定性和开放性相结合的软、硬件实验平台，方便小组合作或个体独立进行探究活动，验平台，方便小组合作或个体独立进行探究活动，有利于培养学生获取信息、加工信息、运用信息有利于培养学生获取信息、加工信息、运用信息的综合能力以及研究、创新的能力

19、。的综合能力以及研究、创新的能力。DIS 实验的特点实验的特点（1）能够在很短的时间内采集和处理大量的实验数）能够在很短的时间内采集和处理大量的实验数据，不仅显著提高了实验效率，而且使实验结果据，不仅显著提高了实验效率，而且使实验结果准确度和精确度得到大幅度提升。准确度和精确度得到大幅度提升。（2）能够检测信号量的微小变化和瞬间变化，使实）能够检测信号量的微小变化和瞬间变化，使实验的研究范围大大扩展并能实时显示、存储、传验的研究范围大大扩展并能实时显示、存储、传输、统计、拟合、分析实验数据。输、统计、拟合、分析实验数据。（3）能够满足全国合地方各种版本的中学及其他类）能够满足全国合地方各种版本

20、的中学及其他类型学校理科新教材要求，不仅有效实现了信息技型学校理科新教材要求，不仅有效实现了信息技术与学科实验的完美整合，而且方便开展综合理术与学科实验的完美整合，而且方便开展综合理科探究实验，实现学科之间的交叉与融合。科探究实验，实现学科之间的交叉与融合。（4）能够提供固定性和开放性相结合的软、硬件实）能够提供固定性和开放性相结合的软、硬件实验平台，方便小组合作或个体独立进行探究活动，验平台，方便小组合作或个体独立进行探究活动，有利于培养学生获取信息、加工信息、运用信息有利于培养学生获取信息、加工信息、运用信息的综合能力以及研究、创新的能力。的综合能力以及研究、创新的能力。拉力拉力 DIS是

21、实时实验是实时实验推力推力 撞击撞击 DIS的动态测量的动态测量与化学现象一一对与化学现象一一对应。这是传统实验应。这是传统实验无法比拟的。无法比拟的。力的相互作用力的相互作用 DIS可以可以记录记录连续、完整的连续、完整的数据数据 拖拉回放拖拉回放同时记录同时记录多项数据的多项数据的大小和方向大小和方向F1F2DIS 利用计算机处理数据利用计算机处理数据 动量定理动量定理 利用计算机对物利用计算机对物体的瞬间碰撞进行体的瞬间碰撞进行定量分析定量分析专用软件专用软件直接给出直接给出积分图线和相关数据积分图线和相关数据 微波炉微波炉工作时的电磁波工作时的电磁波问：这些是微波吗？问：这些是微波吗？

22、手机发射与接收手机发射与接收CDMA手机手机GSM手机手机静音接收静音接收 0.62A DIS 填补传统实验的空白填补传统实验的空白做以前想做而做不了的实验做以前想做而做不了的实验 DIS使传统实验方法难以使传统实验方法难以测量或无法测量的化学量得测量或无法测量的化学量得以方便、精确的测量。以方便、精确的测量。通电螺线管内部通电螺线管内部磁感应强度是否均匀？磁感应强度是否均匀？传统实验中由于缺乏传统实验中由于缺乏相关仪器而无法测量相关仪器而无法测量 自制真空铃自制真空铃声音的测量声音的测量采用声传感器采用声传感器传统实验中缺乏测量声音的仪器传统实验中缺乏测量声音的仪器DIS 提供新的实验方法提

23、供新的实验方法有很多实验，已经配备了有很多实验，已经配备了传统实验器材，传统实验器材，DIS的加入的加入更增添了实验手段，丰富了更增添了实验手段，丰富了实验内容。实验内容。温度传感器温度传感器记录实验过程记录实验过程 晶体的熔化和凝固晶体的熔化和凝固专用软件专用软件 通用软件通用软件 比热容实验比热容实验煤油煤油水水热热 传传 导导铝铝 铜铜 铁铁 铝铝 铜铜 铁铁 哪种材料热传导最快？哪种材料热传导最快？黄黄 DIS 提供探索研究的平台提供探索研究的平台DIS应用于应用于实验教学，使实验教学，使数据处理时间数据处理时间大为缩短，为大为缩短，为师生节约了大师生节约了大量时间用于探量时间用于探索

24、研究。索研究。物体动能大小和哪些因素有关？物体动能大小和哪些因素有关？控制变量法：控制变量法：1、保持质量不变，改变速度；、保持质量不变，改变速度；2、保持速度不变保持速度不变，改变质量；，改变质量；利用橡皮筋的利用橡皮筋的弹力控制速度弹力控制速度用手控制速度用手控制速度 利用弹射装利用弹射装置控制速度置控制速度更换轨道更换轨道？探索新的实验方式探索新的实验方式充分利用计算机软件的功能。充分利用计算机软件的功能。让学生猜想让学生猜想“位移、质量、速位移、质量、速度度”三者之间的函数关系，在三者之间的函数关系，在探索中得出正确的结论。探索中得出正确的结论。实验探究实验探究物体动能的大小物体动能的

25、大小横座标参数不固定，横座标参数不固定，需要学生进行选择。需要学生进行选择。采集数据后，鼓励学生采集数据后，鼓励学生大胆猜想，大胆猜想，探究化学量探究化学量之之间的关系。间的关系。坐标系中，横坐标不是单一的化学量，坐标系中，横坐标不是单一的化学量，而是由公式计算得出的而是由公式计算得出的m和和v的复合量。的复合量。实验界面实验界面 选择位移、质量选择位移、质量和速度之间的正比和速度之间的正比函数关系函数关系 ，作为，作为横坐标的化学量。横坐标的化学量。窗口中包含的选项窗口中包含的选项 数据采集后，选择函数关系数据采集后，选择函数关系 点击点击“选择选择 s与与m、v的的关系关系”窗口，下拉菜单

26、中窗口，下拉菜单中包含包含s与与m、v的多个函数关系，从中选择关系式。的多个函数关系，从中选择关系式。分析：分析：s m+v、s(m2 2+v2 2)、s(m+v)2 2 等等由于违背了由于违背了“不同的化学量不能相加减不同的化学量不能相加减”这一基这一基本原则，首先予以舍弃。本原则，首先予以舍弃。对其余的函数关系进行计算机验证。对其余的函数关系进行计算机验证。比较上述分布图，只有选择比较上述分布图，只有选择“m v 2”时，数据点时，数据点的分布呈线性特征，由此可推断：的分布呈线性特征，由此可推断：s m v 2。猜想猜想1：选择选择 s m 3v 3 选择不同关系式，选择不同关系式，数据点

27、的分布也不同数据点的分布也不同具有正比关系的图线，其数据点具有正比关系的图线，其数据点应呈线性分布，且直线过原点。应呈线性分布，且直线过原点。猜想猜想2：选择选择 sm v 猜想猜想3：选择选择 sm v 2 由控制变量法转变为由控制变量法转变为“猜想猜想法法”，这不仅是教具的改进，这不仅是教具的改进，更重要的是学习方式的变化。更重要的是学习方式的变化。充分发挥计算机的数据处理充分发挥计算机的数据处理功能，实现探索性实验，这功能，实现探索性实验，这是传统实验无法实现的。是传统实验无法实现的。喷喷 气气 降降 温温蒸发致冷的比较蒸发致冷的比较 水水 酒精酒精 用于自制教具用于自制教具用于用于 D

28、IS 实验实验数字化信息系统数字化信息系统 将传感器引入自制教具将传感器引入自制教具 充分利用身边器材，利用传感充分利用身边器材，利用传感器作测量工具，提升自制教具器作测量工具，提升自制教具的技术含量。的技术含量。有很多自制教具，将大量精力花有很多自制教具，将大量精力花在化学量的测量和显示上，而引在化学量的测量和显示上，而引入计算机和传感器后，这些问题入计算机和传感器后，这些问题将迎刃而解。将迎刃而解。管径越细、流速越大、压强越小。管径越细、流速越大、压强越小。通过图线通过图线 了解化学变化的过程了解化学变化的过程伯努利定律伯努利定律压压强强传传感感器器真空吞蛋真空吞蛋在吞蛋的过程在吞蛋的过程中，通过图线观中，通过图线观察气压的变化。察气压的变化。怎么进一怎么进一步表明瓶内步表明瓶内气体压强发气体压强发生了变化？生了变化？自制的马德堡半球自制的马德堡半球观察气压的变化观察气压的变化晶体各向异性晶体各向异性4个温度传感器同时测量个温度传感器同时测量热热 锤锤温度传感器温度传感器观察温度的变化观察温度的变化DIS 化学实验化学实验冰醋酸稀释冰醋酸稀释 熔融硝酸钾导电熔融硝酸钾导电 电导率滴定电导率滴定 谢谢 谢！谢！