上海创造，数字化实验系统研发纪实

DIS传感器的引入，初步实现了物理实验教学过程中测量手段的数字化，与计算机结合后更实现了数据显示、分析、计算的智能化。DIS传感器的应用，标志着中学物理实验上了一个新台阶。

1.DIS电学传感器

DIS电学传感器包括电流传感器[图2—3—2（a）]、电压传感器[图2—3—2（b）]和微电流传感器[图2—3—2（c）]，量程分别为±1A、±12V和±1μA。电流、微电流传感器的使用方法与电流表相同，使用时将传感器串联在电路中，电流自红色夹钳流入，由黑色夹钳流出。电压传感器的使用方法与电压表相同，使用时，将电压传感器并联在电路中，红色夹钳接高电位，黑色夹钳接低电位。

图2—3—2　DIS电学传感器

回忆首批DIS设备的影像：

如今，我们已经积累起了关于DIS的海量影像资料，各种摄影手段、PS技术、图像强化、构图技巧应用的更是随心所欲。但在十几年前，真正为DIS的影像资料正规化起到关键作用的，是研发中心购入的一套准专业的摄影器材，包括灯组、柔光箱、柔光板、背景板等。配合当时刚出现的数码相机，这套设备甫一应用，DIS的各种设备的影像质量立马上了一个档次，我们花大力气设计的DIS透明外壳的视觉效果也得以充分展现。这也是我们一贯追求的：DIS不仅要技术领先，在审美方面也不能落后！

DIS电学传感器被广泛应用于中学物理实验。凡是需借助电流表、电压表完成的电学实验，如欧姆定律、导体的伏安特性、闭合电路欧姆定律、电源的电动势和内电阻、金属丝的电阻率、小灯泡的伏安特性曲线（图2—3—3）、电容充放电与串并联、整流与滤波、交流电观察、李萨如图形、RC移相电路、电感中的相差、楞次定律、自感现象、微弱磁通量变化时的感生电流、LC振荡、电磁振荡、发电机原理、二极管和三极管特性曲线、晶体管放大电路、简单逻辑电路、电磁波发送接收、电磁波屏蔽、复杂电路分析、电路故障分析、电桥实验、无穷型电路展示、恒压源与恒流源、双稳态电路、多谐振荡器等，均可借助电学传感器来完成。另外，凭借DIS软硬件系统依据传感器数据实时绘出的“物理量—时间”图线，物理过程得以空前清晰、完整地展现在实验者面前，并可借助高频数据采集功能确保捕捉到电容充放电、自感现象等实验中的暂态信号，使学生对物理现象的观察更加细致，对物理规律的认识更加深入，实验效果明显好于传统仪表。

图2—3—3　使用电流、电压传感器描绘小灯泡的伏安特性曲线

尤其值得一提的是DISμA级量程的微电流传感器。微电流传感器的研发成功不仅使得单导线切割磁感线感生电流、切割地磁场（强度仅为10—5mT）感生电流等实验难题迎刃而解，更重要的是填补了微小物理量测量领域的技术空白，使探究实验领域得到了空前的扩展。图1—2—3即为我们基于微电流传感器实验教学应用开发的“鱼骨”思维导图。根据该图的提示，微电流传感器好比鱼头，牵动以DIS系统构成的鱼身，沿着附着在脊骨上的无数“鱼刺”，就可以发现（或开发）微电流传感器能够完成的诸多实验，像纯水导电、玻璃导电、温差电池、环境热辐射测量、人体电流、压电效应、水果电池等，可谓举不胜举。如此一来，物理实验教学在发散思维训练、综合科学教育等方面的强大功能得以充分发挥，“通过物理实验课展示科学的魅力”不再是一句空话。

巧用思维导图，深挖DIS的教学应用潜力：

十几年前，我们的“鱼骨思维导图”把DIS教学应用潜力的挖掘上升到了思维训练的高度，并且自然而然地推导、展示出了以微电流传感器为代表的各种DIS设备丰富的教学应用潜力。至今，鱼骨思维导图还是研发中心的圭臬。其背后的发散思维、一物多用、组合创新思想一直是我们创新创造所遵循的有力工具。

2.DIS温度传感器

DIS温度传感器（图2—3—4）的不锈钢温度探针内置铂电阻温敏器件，远比传统的温度计坚固耐用，适用多种实验环境。其分度小、精度高，量程跨越冰点和沸点（—10℃～+110℃），进一步拓展了实验范围。

图2—3—4　DIS温度传感器

不容小视的温度传感器：

在DIS的发展历史上，温度传感器定型较早，但“戏份”不多。其实，温度传感器的教学贡献也是不容小视的。首先，温度是理化生实验都必须面对的测量指标，温度传感器用途极广；其次，传统的温度计在功能和适用场所方面局限甚多。因而温度传感器会给实验教学带来较大的改变。

DIS温度传感器配合其他实验器材，可进行摩擦做功使温度升高、液体蒸发温度下降、水的热传导和对流、晶体的熔解和凝固、热传导、电流热效应等实验。由于探针热容量小，灵敏度高，一些用普通温度计做得不理想的实验，如查理定律、气体绝热压缩或膨胀时温度变化、红外线的热效应、热辐射研究、比热容等，使用DIS温度传感器之后均获得了令人满意的实验结果。

3.DIS压强传感器

图2—3—5　DIS压强传感器

相对于传统实验中的水银气压计，DIS压强传感器（图2—3—5）为热学实验提供了极为便利的压强测量手段。该传感器采用工业级精密压强敏感器件，所测量的是绝对压强值，无须通过大气压加以换算。将传感器前端引出的软管与实验装置连通，即可开始测量。

配合各种实验器材，使用DIS压强传感器可完成玻意耳定律、查理定律、盖·吕萨克定律、液体内部压强、未饱和气压、饱和气压等实验。在一些涉及气压变化的常规实验中，加上一个三通管，将传感器连接到实验用压力容器上，即可随时“监控”气压变化，在观察实验现象的同时揭示现象背后的本质。如马德堡半球、液体在低压时的沸腾、牛顿管等实验，均可使用DIS压强传感器加以改造和优化，揭示气压变化在上述实验中的决定性作用。

关于“负压强”的逸闻：

在DIS推广之初，有不少厂家跟风，一时泥沙俱下。当时，某厂家将自己的产品参数列为招标要求。其中，赫然出现了压强传感器的量程为“±120kP”的表述。笔者大惊，遂质疑：真空压强为零，难道还有负真空存在乎？教装部门哑然。但结果仍是该厂家中标，真是滑天下之大稽。

4.DIS力传感器

DIS力传感器（图2—3—6）的核心器件为应变片（图2—3—7）。其结构为一开孔金属片，可将受力引发的微小形变转换成电压信号。力传感器的设计遵循了人机工程学的原则，独创手柄构造，便于学生在实验中持握，并能够与各种轨道、支架、力矩盘等紧密配合。研发中心又以力传感器为基础，设计开发了向心力实验器、力的分解合成实验器等多种专用实验器材。DIS力传感器成对配备（标配为两只），可测量拉力与压力。因为力具有方向，故教学软件中将拉力设定为正值、压力设定为负值，以示区分。DIS力传感器支持高频采集，因此可轻松绘制敲击实验中的“F—t”图线，也很好地支持了变力的动量定理等实验的开发。

图2—3—6　DIS力传感器

图2—3—7　应变片

手柄式力传感器的由来：

在DIS的发展历史上，笔者针对手柄式力传感器的设计是DIS摆脱国外产品影响、确立自己结构和外观风格的力作。而给予其设计灵感的，居然是多年前笔者从德国带回来的一只喷壶。后来我们逐渐认识到：从实验需求出发、注重跨界寻求设计灵感、讲求独创，原来正是笔者一贯的风格。在这种风格的影响下，DIS从手柄式力传感器，发展到了直柄式力传感器，又拥有了集成力的大小、方向及倾角测量功能于一体的“力—倾角”传感器。

DIS力传感器用途广泛，原来使用测力计进行的实验，几乎都可以使用DIS力传感器完成，如胡克定律、力的合成和分解、二力平衡、物体的惯性、牛顿第三定律、浮力研究、曲面桥的受力分析、圆周运动、简单机械等。与其他传感器配合，还可完成加速度与拉力的关系、碰撞中的动能、热膨胀（气体、液体）、安培力测量等多种实验。参照“鱼骨”思维导图，力传感器可在整个中学理科实验教学领域获得扩展使用。

与传统的测力计相比，DIS力传感器的实时图线功能最为可贵。因为力学实验教学的关键在于把握变化过程，而传统的测力计恰恰不具备展现受力变化过程的能力。因此应用力传感器，有效解决了一系列长期以来困扰教师的实验难题，如摩擦力的研究、超重与失重、碰撞等。

填补磁学实验测量工具的空白：

在DIS推广应用之前，中学阶段没有针对磁学实验的定量测量工具。高斯计作为精密仪器，仅限于高校和科研院所使用。因此，当我们已经习惯于使用磁感应强度传感器的时候，是否还能够回忆起当年使用小磁针和撒了铁粉的玻璃板配合磁铁进行定性演示的时代呢？

5.DIS磁感应强度传感器

磁现象的定量测量手段一直是传统中学物理实验仪器中的缺环。针对这一缺环，研发中心设计开发了DIS磁感应强度传感器（图2—3—8）。该传感器的探管顶端内置磁敏元件，用于测量由环境磁场变化引起的磁感应强度的相对变化，传感器测量的绝对值即为所测磁场的磁感应强度。另外，DIS实验教学软件规定：当探管指向被测磁场的S极，即指向与磁感线方向相同时，测量值呈正值（图2—3—9）；当探测管指向被测磁场的N极，即指向与磁感线方向相反时，测量值呈负值（图2—3—10）。该传感器的量程为±15mT。

图2—3—8　DIS磁感应强度传感器

图2—3—9　测量值为正(www.xing528.com)

图2—3—10　测量值为负

作为一种新型测量手段，DIS磁感应强度传感器研发成功以后即成了研究性学习的理想工具。开发的实验包括条形磁铁的磁场、地球磁场、通电螺线管内部磁场、直导线周围磁场、磁滞回线等，均为借助传统器材难以完成的实验，为中学物理电磁学实验教学开辟了一片新天地。

6.DIS位移传感器

DIS位移传感器（图2—3—11）采用研发中心独创的收发分体式结构，左图为传感器的发射器，实验中与运动物体固定在一起，或直接充当运动物体，如振子、落体等；右图为传感器的接收器，实验中可固定在支架上，并与数据采集器相连。

图2—3—11　DIS位移传感器（发射+接收）

分体式位移传感器的故事：

2009年，在世教联亚洲展会上，荷兰阿姆斯特丹大学的一位老教授找到笔者，对DIS分体式位移传感器赞不绝口。原来，这位先生当年也从事过类似教学设备的开发，甚至也曾利用类似的超声波器件构造出与DIS分体式位移传感器类似的产品雏形，但最终还是采用了收发一体的结构。他再三说：没想到我们与他所见略同，且最终实现了这种结构形式的产品化！我们一方面向他郑重说明DIS的这一设计确为我们通过自主研发获得，一方面向他说明：我们之所以采取这一设计，实在是被逼出来的：2002年在我们迫切需要攻克位移传感器测量难关的时候，收发一体的超声波器件我们根本买不到！无奈之下我们才转换思路，利用能够买到的国产器件，基于收发分体的结构研发了现有的位移传感器，而且开发出了超越收发一体式传感器的一系列实验。这位先生感叹道：他所处的开发环境远优于我们，创新设计却被埋没；而我们一穷二白，却凭借同样的创新设计实现了超越！这次奇妙的对话，给了笔者极大的震撼，更坚定了笔者坚持DIS独立研发的信念。

DIS位移传感器的工作原理如图2—3—12所示。通过在发射器和接收器上设置的光波发射与接收装置，两者可以通过光波进行通讯，以确定超声波开始发射的时间t1和超声波接收器接收到声波的时间t2。时间差（t2—t1）乘以声速就得到发射器和接收器之间的距离，也就是被测物体和接收器之间的距离。

图2—3—12　DIS位移传感器工作原理

DIS位移传感器提供了远优于打点计时器的位移测量方法，并填补了测量持续运动物体（弹簧振子等）位移的空白，不仅可开发出很多借助传统仪器无法完成的实验，而且使很多传统实验获得了显著优化，如研究匀速直线运动、平均速度的测量、加速度的测量、测重力加速度、加速度与拉力的关系、加速度与质量的关系、简谐振动的相位、单摆周期的测量、阻尼振动等。

7.DIS光电门传感器

光电门是运动学实验中测量速度、加速度的重要装备，已获得广泛应用。但传统的光电门仅与数字毫秒计等计时装置配套，数据读取、记录全由人工完成，再加上代入公式计算，实验操作颇为烦琐。

DIS光电门传感器（图2—3—13）采用灵敏光电器件，分度为10μs。不仅测量精度高，实时性好，还可借助计算机对数据直接记录、计算和处理，实验效率大大提高。

图2—3—13　DIS光电门传感器

使用DIS光电门传感器，不仅可以较为理想地完成一系列经典实验，如单摆周期的测量、平均速度与瞬时速度、动量定理、动量守恒定律、机械能守恒定律（斜轨法）、机械能守恒定律（落体法）、观察碰撞中的动能、重力加速度测量、单摆法测重力加速度、单摆的振动图像（单摆研究）、平抛运动等，而且还可以与DIS配套实验器材—力学轨道、向心力实验器等配合，完成传统实验仪器难以完成的一系列实验（图2—3—14）。

图2—3—14　使用光电门传感器测加速度

8.DIS声传感器

DIS声传感器（图2—3—15）以驻极体为声敏器件，可将声音转化成直观的波形信号，有利于学生理解声音现象的波动本质。DIS声传感器可与音叉等声源配套，完成声波的振动图像观察、振幅与响度的关系研究、频率与音调的关系研究、声音的共鸣、同频声波的合成（干涉）声干涉、异频声波的合成等实验。

图2—3—15　DIS声传感器

最新设计的“朗威®天籁”声学教学专用软件，可供学生交互式地学习、理解波动和声音。这种全新的学习情境，不仅激发了学生对相关内容的学习积极性，同时也满足了个性化学习的要求。

9.DIS光强分布传感器

DIS光强分布传感器（图2—3—16）采用新型光敏器件，可将平面分布的干涉、衍射光斑转化成光强图线，形象直观，不需要机械式测量的移动。该光敏器件感光区域宽，测量精度高，每毫米测量点数达到12个，响应速度快。光敏器件上的特殊装置可抗背景亮度干扰，环境照度小于50Lx即可进行学生实验。这使以前被视为光学实验“畏途”的光的干涉、衍射、偏振、光波长测量等实验从此成为“坦途”。

从光强分布传感器到相对光照度分布传感器：

与分体式位移传感器类似，当年的光强分布传感器也是因为国内采购不到国外产品所用的器件，被逼出来的一种设计。反正使用国外器件，验证的是单缝衍射和双缝干涉等光学现象，那么只要能够将这些光学现象在平面上的分布规律转化为图线，不也就完成教学任务了吗？基于这种思想，研发中心的工程师们跨界选择了一种在扫描仪上常用的器件，构造了光强分布传感器。后来，经浙江省装备中心资深专家任伟德老师提示，我们发现该传感器的研究对象不应该被称为光强度而应该被称为光照度，故果断将其改称相对光照度分布传感器。

图2—3—16　DIS光强分布传感器

10.DIS G—M传感器

原子物理实验是微观世界向中学生敞开的一扇窗户。但长期以来，因威尔逊云室配套放射源强度较高带来的安全顾虑，导致很多学校取消了此类实验。安全是有保障了，但学生失去了一个观察和了解微观物质世界的机会。研发中心从两方面解决了这个问题：首先是改进辐射强度测量手段，将相对成熟的数字化辐射强度测量技术引入中学教学；其次是选用安全教学放射源，确保实验教学的辐射安全。

图2—3—17　DIS G—M传感器

图2—3—18　DIS教学放射源

与G—M传感器配套的教学放射源的由来：

在G—M传感器研发过程中，研发中心一直使用威尔逊云室的放射源。但该放射源放射性过强，肯定不适合大规模教学应用。笔者等人开始寻找汽灯纱罩，利用纱罩上附带的硝酸钍做放射源！当时，因为需求萎缩，国内生产汽灯纱罩的厂家大幅减少，且当时互联网尚不发达。几个月后，才在宝山区靠近长江边的一个村子里发现了全上海仅存的一个小工厂。而正是这家小厂的汽灯纱罩，经上海市环境辐射安全监督部门检测后，居然恰好符合我们的教学要求。

研发中心开发的DIS G—M传感器（图2—3—17）的敏感器件采用特种G—M计数管，可记录单位时间内由β和γ射线激发的脉冲数（计数率），并以此测量辐射强度。DIS辐射传感器具备每分钟记录40 000个脉冲的功能。依据DISG—M传感器的性能，研发中心从大量放射性物质中筛选出了低辐射的硝酸钍作为安全教学放射源，并做了塑料封装处理（图2—3—18），隔绝了放射源与人体的接触。该放射源通过了上海市环境辐射安全监督部门的检测。

支持DISG—M传感器的教材专用软件完全基于实验要求，设有“历史记录”“脉冲显示”“声响提示”等特有功能。

使用DIS G—M传感器可完成包括本底计数率（环境辐射强度）测量、放射源计数率（辐射强度）测量、放射性强度与距离的关系研究、放射源的屏蔽研究、天然石材中的放射性测量等系列原子物理实验，拓展了实验探究的范围，激发了学生自主学习的热情。正如教育专家所说：最有效的学习环境就是传统与现代的有机结合。DIS G—M传感器的研发成功为实施课改所提倡的主动学习策略提供了支撑。

使用DIS传感器突破传统仪器仪表的瓶颈，在技术层面提升的背后，是教育思想观念的进步。首先，传感器、计算机等信息技术设备都是物理学发展和进步的成果，将其应用到物理实验教学中，本身就是开阔视野、与时俱进的举措，同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供了鲜活的素材。其次，工具的发展是脑的扩展、手的延伸，是人类文明进步的阶梯。有了飞机，人类领略到了天空的高远；有了宇宙飞船，人类体验到了太空的深邃；有了先进的实验手段，学生们必定能够收获足以令我们意想不到的成功。

这也正是教育改革的最终目标。