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1、新课程下物理高考以DIS系统为命题背景的新趋势研究 【摘 要】 随着信息技术在实验中的渗透,新课标物理教材也将DIS实验的引入,体现了时代的要求,新高考对此不会轻易放过,为了提高备考的针对性和前瞻性,依托教材图片,以例题形式展示出来,揭示该问题与新课标高考的潜在关系。 新课标物理教材所增加的一个重要内容就是DIS(Digital Information System,即数据、信息处理系统)实验。其核心部分主要由传感器和计算机组成。通过传感器(包括电流、电压、温度、声波、位移、角度、力、磁、光电门等)收集信息将非电学物理量转化为电学量,最后输入计算机,获得动态变化的数据并在电脑屏幕上呈现出对应物
2、理量的变化图像,从而进行快捷地分析论证,获得物理规律。由于DIS系统能够即时获得传统实验不易获得的图像和信息,这就为物理命题提供了新的情境铺设点。 一、用位移传感器结合DIS系统获得即时变化的位移时间图图像类的试题将可能大量涌现 1.由常DIS系统获得s-t图像。 例1.(原创题)如图物块自曲面滑到底部的水平向左的速率为V0,固定在传送带右端的位移传感器纪录了小物块滑到传送带上后的位移随时间的变化关系如图2所示(图象前3s内为二次函数,34.5s内为一次函数,取向左运动的方向为正方向)。已知传送带的速度保持不变,g取10 m/s2。 A.传送带的速度v的大小为1m/s,方向向左 B.物块先向左
3、匀减速,与带等速后,共同匀速运动 C.前两秒内物块的平均速度为2m/s D.传送带的速度v的大小为4m/s,方向向右 【答案】 BC正确,解析略。 2.雷达测距模型。 电磁脉冲从雷达发出到被物体发射回来所用时间的一半乘以电磁波速度即可求得物体反射电磁脉冲的瞬间的空间位置,此过程中电磁脉冲是双程的。 例2.(位移传感器、超声波测速)如图甲所示是一种位移传感器的DIS系统工作原理图,在这个系统中B为一个能发射超声波的固定小盒子,工作时小盒子B向被测物体发出短暂的超声波脉冲,脉冲被运动的物体反射后又被B盒接收,从B盒发射超声波开始计时,经时间t0再次发射超声波脉冲,图乙是连续两次发射的超声波的位移时
4、间图象,则下列说法正确的是( ) A.超声波的速度为 B.超声波的速度为 C.物体的平均速度为 D.物体的平均速度为 答案:A D 【解析】略 3.电闪雷鸣测云距模型。 闪电与雷声是同时发出的,由于光速大,从闪电处发出的光传到接受者的时间可忽略,从看到电闪到听到雷声的时间就认为是声音传播的时间,故用此时间乘以声速,即是云层到接受者的距离。 例3. (位移传感器、红外线超声波测速)如图是一种DIS系统的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成,A盒装有红外线发射器和超声波发射器,B盒装有红外线接收器和超声波接收器。A固定在被测的运动小车上,B固定在桌面上。第一次测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和
5、一个超声波脉冲,B盒收到红外线脉冲时,开始计时(t1时刻),收到超声波脉冲时计时停止(t2时刻,红外线的传播时间可以忽略),两者的时间差为t1=1s ;经过t=10s时间,再进行第二次测量时,两者的时间差为t2=1.5s;设:空气中的声速为340m/s,以B盒接收超声波的孔为坐标原点,向右为坐标轴正方向。问: (1)第一次B盒接收到超声波时,A盒超声波发射孔的坐标X1=?m 第二次B盒接收到超声波时,A盒超声波发射孔的坐标X2=m。 (2)该小车的运动速度v=m/s,小车的运动方向是 (远离B盒或靠近B盒) (3)用此方法求得小车的速度比真实的速度偏(填写“大”或“小”) 理由是:。 答案:(
6、1) 340m;510m;(2) 170m;(3)17m/s;(4) 因为忽略了红外线传播的时间,使得t小于实际时间,测得的距离小于真实的距离,所以速度偏小。 【解析】略。 【点评】注意例1和例2的相同点和不同点,在例1中,超声波的传播时间不可忽略,脉冲被运动的物体反射后返回的过程中,车继续前行,当脉冲又被B盒接收时,车已经又前进了一段位移,记录的时间是超声波往返的双程时间,这段双程时间的一半时刻处,恰为超声波与车相“碰”的时刻,类似雷达测速过程,故将此过程称为雷达测速。而例2中红外线和超声波同时发出,由于红外线速度极大(光速),传播时间可忽略,因此超声波的传播时间就是从接收器收到红外线到收到
7、超声波的时间,恰似闪电雷声测云层距离的模型。 二、DIS实验实时监测电流、电压等随时间的变化为命题素材(在电磁学中的应用) 1. DIS与高电阻组合测电容。 例4. 某小组在用DIS实验测电容的电路如图所示。电源电动势E=8V,电阻R与一个电流传感器相连,传感器可以将电路中的电流随时间变化的曲线显示在计算机屏幕上,先将S接2给电容器C充电,再将S接1,结果在计算机屏幕上得到如图所示的曲线,将该曲线描绘在坐标纸上(坐标纸上的小方格图中未画出),电流坐标轴每小格表示0.1mA,时间坐标轴每小格表示0.1s,曲线与AOB所围成的面积约为80个小方格。则下列说法正确的是 A.该图像表示电容器的充电过程
8、, 点的坐标乘积表示此时电容器已放掉的电荷量 B.电源给电容器充电完毕时,电容器所带的电荷量约为810-4C C.电容器的电容约为10-4F D.若放电开始时的电流是20mA,则电阻R的估计值40欧;阻值变大时,I-t图像的面积变大,放电时间减小 答案:B C 【解析】将S接1后,电容器通过电阻放电, I-t图象下面的面积表示所放的总电量,也等于电容器充电后的总电量,电荷量约为810-4C故A错,B对;电容等于电量与电压的比值,大小为10-4F,C对;若放电开始时的电流是20mA,则电阻R的估计值400欧;阻值变大时,I-t图像的面积不变,放电时间延长,D错。 2.DIS系统实时监测电流、电压
9、,在闭合直流电路动态分析中的应用。 例5.如图所示,R1、R2为定值电阻,R3为滑动变阻器。3个电阻采用如图(a)方式接在电源上,已知R1=3、R2=12。现利用电压传感器(相当于理想电压表)和电流传感器(相当于理想电流表)研究R3上的电压与电流变化关系,任意滑动R3上的滑片,通过数据采集器将电压与电流信号输入计算机后,在屏幕上得到的U-I图像为如图(b)所示的一条直线(实际测得的数据只能在实线范围内)。下列说法正确的是() 。 A.电源的电动势和内电阻分别为E=6V和r=1 B.电源的电动势和内电阻分别为E=4.5V和r=3 C.R3的最大阻值为3 D.R3的最大阻值为6 【解析】电压传感器
10、相当于一个理想电压表,电流传感器相当于一个理想电流表,由b图知R3=0时,电流传感器测的是短路电流,即 A,故E=1.5(3+r),R3的阻值最大时,电压为3V,对应的电流表电流为0.5A,故R3的最大阻值为6,R3时,电流为0,电压传感器测的是R2两端的电压,即 V解得电源的电动势和内电阻分别为E=6V和r=1,选项AD正确 【点评】在 DIS实验中不需人工测量,减少了测量的偶然误差、甚至还能够实时监测到瞬间变化的电流、电压等。在备考中,我们只需将电路中的传感器看做对应的仪表即可,如电流传感器,看做理想电流表(内阻为0),电压传感器看做电压表(内阻为无穷大)等。 三、注意传感器在DIS实验中
11、的连接方法 例6.霍尔元件可以用来检测磁场及其变化。图甲为使用霍尔元件测量通电直导线产生磁场的装置示意图,由于磁芯的作用,霍尔元件所处区域磁场可看做匀强磁场。测量原理如乙图所示, 直导线通有垂直纸面向里的电流,霍尔元件前、后、左、 右表面有四个接线柱,通过四个接线柱可以把霍尔元件接入电路。所用器材已在图中给出,部分电路已经连接好。为测霍尔元件所处区域的磁感应强度B。 (1)霍尔元件所在处的磁场方向为(填“向下”或“向上”),图乙中电流传感器所连接的“A设备”,你猜应该是(填“电力表”、“计算机”或“其他”) (2)制造霍尔元件的半导体参与导电的自由电荷带负电,电流从乙图中霍尔元件左侧流入,右侧
12、流出,霍尔元件(填“前表面”或“后表面”)电势高。 (3)在图中画线连接成实验电路图。 (4)已知霍尔元件单位体积内自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为e ,霍尔元件的厚度为h为测量霍尔元件所处区域的磁感应强度B,还必须测量的物理量有(写出具体的物理量名称及其符号),计算式B= (5)电压表的读数与电流传感器测出的电流的比值是霍尔元件的电阻吗? 【解析】详解略,答案(1)向下,计算机 (2)前表面(3)如图所示(4)电压表示数U, 电流传感器示数I, 【点评】 DIS系统是由传感器和计算机等构成的。电流传感器完全可等价成一个电流表。 另外,由DIS获得的F-t图像、a-t、U-t图像、B-t
13、图像B-t图像等等,将原来不可能获得的物理图像通过计算机都可以显示出来,这大大丰富了命题的条件素材。 四、教育启示 1.树立超前意识,重视“DIS实验”。 鉴于DIS实验在物理中的应用体现了信息技术在实验中的渗透,体现了实验试题的时代性,因此新高考对此类问题不会轻易放过,望及早引起重视,进行自觉的选题练习。此类问题在高考命题中预计应该“谨慎地渗透”。原因是通过“渗透”,敦促中学加快数字化实验室建设,重视数字化实验;之所以说“谨慎”,是考虑到我国各地经济发展不平衡,部分落后地区一时可能还实现不了“实验室的数字化建设”。但是实验技术现代化是大势所趋,高考应该重视它,其实2014年全国课标I卷的第22题就是这方面的一个信号。也建议普通高中根据实际情况,着手数字化物理实验室的建设和“DIS”在教学中的落实。 2.整合“DIS实验”资源,与研究性学习相渗透。 对于教材中所渗透的“DIS试验”资源,教师要有意识地引导学生进行课题探究或研究性学习,这样可以打破“深度”和“广度”的限制,让学生能够自主地进行研究,提高研究能力,培养创新能力。 总之,物理实验的数字化是时代发展的结果,新课标和新教材对此内容的渗透体现了物理新课程标准关于“体现时代性”的理念要求。作为对中学教学具有导向功能的高考命题将必然有所体现。 (编辑:刘金华)
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