上海创造：实验系统数字化，DIS系统研发纪实

长期以来，我国中学力学实验手段一直相对落后于其他实验领域。为了能够在工具层面奠定力学教学改革成功的基础，研发中心在DIS的研发过程中突出了力学实验教学的需求，抓住“力、距离（位移）和时间”这三个测量关键点，为力学实验教学打造了一系列数字化“工具”。

1.DIS力传感器

在传统力学实验中，一般使用测力计进行力的测量。测力计价格低廉、形象直观，应用非常广泛。但其缺点也显而易见：仅适于静态而不适于动态测量；能测拉力而不能测量压力；支持“点测量”而不支持“线测量”，缺乏过程监控能力；另外，测力计本身的精度、读数容易形成偏差也限制了其实验应用。研发中心推出的DIS力传感器（图2—3—6）以工业级应变片为核心部件，将应变片受力后因微弱形变引发的电势差转换为数字信号，进而得出测量结果，并实时显示、记录受力值，描绘出“力—时间”图线，不会遗漏实验过程中的任何细节。

力学实验，DIS创新创造的源泉：

研发中心当初接手DIS的研发工作，尽管连续突破的几个难点都在力学方面，如力传感器、分体式位移传感器和高精度光电门等，但大家都似乎没太把课标里规定的那几个力学实验放在眼里，且都有一种尽快搞定这些实验，抓紧去抢占电磁学甚至原子物理等领域的实验新高峰的冲动。但后来的实践告诉我们：力学实验中，看起来越简单的反倒越难以把握。力学实验确实是实验教学的宝地，但又像是泥沼—解决了一批问题，又有新问题涌现出来。还不够好！还可以更好！这种想法反反复复地把研发中心拖进力学实验之中，以至于到现在我们还没有看到尽头！但是，投身于力学实验的回报也是显而易见的。仅位移传感器，我们就已经从分体式到一体式，从一维到二维，发展起了一个庞大的测量体系。而力传感器也经历了五次大的升级改造。如今的DIS力学解决方案，已经跟当年不可同日而语了。再过几年，我们肯定还能达到新的高度，这一切都拜力学实验的丰富和深厚所赐。

DIS力传感器采用手柄式构造，符合人机工学原理，便于持握；设有专门的固定孔位，与其他实验装置的组合使用方便（图2—4—1）。图2—4—2为基于力传感器开发的电子天平，可用于称量物体的质量。

图2—4—1　DIS力传感器的升级过程

2.DIS位移传感器

位移数据的实时测量是传统力学实验手段中的空白。受此限制，一些教学内容的导入比较困难。DIS位移传感器（图2—3—11）基于超声波测距原理，能够实时测量运动物体的位移数据，并可实时绘出“位移—时间”图线。DIS教材专用软件还提供了“速度—时间”“加速度—时间”图线的转换功能，很好地解决了围绕位移的诸多测量、分析难题。图2—4—3为使用位移传感器研究匀速直线运动。

DIS位移传感器采用收发分体结构，测量盲区远小于收发一体式位移测量装置。

图2—4—2　使用DIS构造电子天平

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图2—4—3　使用位移传感器研究匀速直线运动

3.DIS光电门传感器

传统实验方法中，利用光电门进行力学实验的精度达到毫秒级，已经属于“高技术”了。而且，光电门测得数据后需手动记录和存储，方可导入计算、分析，影响了实验效率的提高。

DIS光电门传感器（图2—3—13）的优势，首先是测量、显示和记录的一体化功能，挡光结束后，实验数据即时呈现在软件计算表格之中。其次是便于计算和分析，计算表格内置编译器，可代入复杂公式参与运算并支持数据导出到Excel、Matlab等软件。另外，DIS光电门的精度高出传统光电门三个数量级，达到了微秒级，使实验教学的质量又获得了提高。图2—4—4为光电门传感器在机械能守恒实验中的应用。

图2—4—4　光电门传感器在机械能守恒实验中

看起来越简单的物理量反倒越难以测量：

DIS光电门传感器就是这个方面的典型代表，因为它所测量的，就是人们认为最普通的物理量—时间。在具体的实验中，光电门是基本的测量工具，但是所测量的时间长度基本上是毫秒级，而有物理意义的实验结果差异往往在微秒级。而且，构造一个准确的时间测量装置不难，但是要在批量完成的光电门里面实现测量结果的一致和稳定，确实是一个很大的挑战。记得当初，光电门的电路经历了三次大改，又更换了两次外壳模具，才算解决了这一难题。

4.软件

DIS的软件是按照实验要求开发的人机接口。教材专用软件设置的力学实验软件中专门针对力、位移和光电门传感器的数据采集设定了最优化的采集频率。教材通用软件在设计开发过程中充分考虑到了力学实验的复杂性，提供了多数据组合显示、离散点绘图、数据拟合、单独图线控制等功能，能够充分满足教学需要。

5.配套实验器材

根据笔者四十多年的物理教学经验，长期困扰力学实验教学的，除了测量工具以外，还有配套实验器材的质量和规范化问题。力学实验器材一方面更新缓慢，多年没有突破实验难点的新品出现；另一方面质量普遍较差，像铁架台放不平、竖不直，轨道小车四个轮子不在同一个面上，力矩盘固定不牢靠，等等，不一而足。这样的器材产生的实验数据肯定是不过关的。因此，测量工具（传感器）越精确，依托这些器材的实验结果越差！如果只考虑改进测量工具而忽略配套器材，那好比开着奔驰轿车走泥路—不仅走不快，还会害了车。为此，笔者从DIS的性能特点出发，结合一线教学的要求，历经四年时间，开发出了DIS多用力学轨道、向心力实验器、力的合成分解实验器、平抛运动实验器、凸型桥实验器等多种力学配套实验器材（详见《DIS用户手册》第二次修订版），已形成了一个相对完整的器材系列，确保了实验数据的标准、规范，DIS精确测量、实时反应、综合分析的优势得以充分发挥。

配套实验器材，力学最多：

到目前为止，DIS已拥有了近七十种定型的配套实验器材、十余种智能化实验仪器，以及上百个实验专用软件。上述软硬件中，物理多于生化，力学多于其他物理分支学科的现象一直存在。力学实验既是宝库又是泥沼的双重性，在这里得到了充分体现。