數(shù)字化實驗系統(tǒng)在實驗教學應用中的探討

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1、萬方數(shù)據(jù)第27卷第12期2006年物理教師PHYSICSTEACHERVd．27No．12(2006)·物理實驗·數(shù)字化實驗系統(tǒng)在實驗教學應用中的探討張彬(唐山師范學院物理系，河北唐山063000)摘要：數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一個開放性的實驗平臺，與傳統(tǒng)實驗器材相比，它具有快速、高精度地實時采集數(shù)據(jù)，并自動記錄和分析處理的特點．完善的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，在真實實驗的基礎上實現(xiàn)了新課標要求的“信息技術與物理學科教學的全面整合”．關鍵詞：數(shù)字化實驗系統(tǒng)；傳感器；素質教育；整合1數(shù)字化實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢數(shù)字化實驗系統(tǒng)不僅可以完成傳統(tǒng)的物理實驗

2、，還可以完成一些傳統(tǒng)實驗很難進行的實驗，而且實驗現(xiàn)象明顯．同時，數(shù)字化實驗系統(tǒng)輔助探究性實驗，可以起到傳統(tǒng)實驗儀器很難達到的效果．與傳統(tǒng)實驗器材比較，利用數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室有以下優(yōu)勢．(1)實驗手段的數(shù)字化傳統(tǒng)實驗中，利用測力計、壓強計、電流表、電壓表等儀器儀表測量力、壓強、電流、電壓等物理量，這些儀器儀表體積較大，讀數(shù)不便；而數(shù)字化實驗系統(tǒng)則把以上這些物理量轉換為電信號，將測量裝置統(tǒng)一為小巧的傳感器，與實驗裝置緊密連接．因此，傳輸更方便，測量更便捷，采集更細密，數(shù)據(jù)更精確，顯示更直觀。(2)促進物理現(xiàn)象和物理規(guī)律的可視

3、化應用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，可由傳統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)“點采集”過渡到“線采集”，即以極小的時間間隔記錄大量實驗數(shù)據(jù)，亦可直接根據(jù)數(shù)量充足的數(shù)據(jù)點描繪出反映物理量變化過程的圖線，有效地解決了暫態(tài)現(xiàn)象測量等傳統(tǒng)實驗的難題．(3)“測量—記錄一呈現(xiàn)”實時化數(shù)字化實驗系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)測量、記錄和呈現(xiàn)完全由計算機控制，因此，在傳統(tǒng)實驗中需要手工完成的繁瑣工作已實現(xiàn)了實時化．實驗進行的同時，數(shù)據(jù)記錄和圖線描繪已經完成，實驗效率大幅度提高，課堂時間的利用率得以提升．2用數(shù)字化實驗系統(tǒng)改進傳統(tǒng)物理實驗示例數(shù)字化實驗系統(tǒng)通過傳感器、計算機的應用，形成了全

4、新的實驗手段體系，填補了傳統(tǒng)實驗中的很多實驗空白．例如，動態(tài)位移實時測量、受力狀況動態(tài)實時測量、磁感應強度測量、微小信號測量、暫態(tài)信號測量、多數(shù)據(jù)并行測量等，可以完成以往傳統(tǒng)實驗儀器難以完成的一系列實驗．2．1驗證變力的動量定理(1)實驗裝置如圖1，將力傳感器和光電門傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道，將光電門傳感器用支架固定在軌道上，軌道盡可能光滑(可用氣墊導軌)；圖1圖2(2)推動小車通過光電門傳感器后與力傳感器的一27—萬方數(shù)據(jù)Vd．27No．12(2006)物理教師PHYSICSTEACHER第27卷第12期2

5、006矩測鉤碰撞，經反彈后又經過光電門傳感器，同時記錄下?lián)豕馄瑑纱瓮ㄟ^光電門傳感器的擋光時間，而計算機將自動計算出小車碰撞前后的速度、動量及動量的變化量．(3)力傳感器記錄了小車在碰撞過程中受力隨時間的變化圖像，可以啟用“積分”功能，計算出在碰撞過程中力與時問的積分值(即沖量R)如圖2，與動量變化相比較，以驗證變力的動量定理，2．2向心力研究(1)實驗裝置如圖3所示，將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器；圖3(2)保持砝碼質量和轉動半徑不變，轉動實驗器的懸臂，力傳感器記錄砝碼轉動過程需要的向心力，而光電門傳感器則可得

6、出轉動的線速度，線速度除以轉動半徑就可得到轉動的角速度，這樣就采集到一組向心力與角速度的數(shù)據(jù)；一28一圖4(3)點擊“繪圖”，選取X軸為轉動角速度“∞”，Y軸為向心力“F2”，得到數(shù)據(jù)點在坐標系中的分布如圖4；(4)點擊“二次多項式”擬合，計算機自動擬合圖線如圖5，觀察數(shù)據(jù)點與擬合線是否基本重合；圖5(5)在數(shù)據(jù)表格中，輸入計算角速度平方的公式q=∞2，點擊“繪圖”，選取X軸為“q”，Y軸為“F2”，得到數(shù)據(jù)點在坐標系中的分布圖，點擊“線性擬合”，觀察數(shù)據(jù)點與擬合圖線是否基本重合，如圖6；圖6(6)改變砝碼質量或轉動半徑，

7、重復實驗，總結向心力F與質量m及轉動半徑r的關系．2．3實驗結論(1)受到變力作用下的物體。由于作用力是瞬間完成且不停的變化，所以，傳統(tǒng)實驗很難研究動量變化與沖量的關系．而數(shù)字化實驗系統(tǒng)的力傳感器采集頻率高，故能夠實時地測量力的變化，且能捕捉到瞬同力的萬方數(shù)據(jù)第27卷第12期2006正物理教師PHYSICSTEACHERVbl．27No．12<2006)用三次類比探究彈性勢能的表達式陳志梅(蘇州大學物理科學與技術學院教育碩士；江蘇省蘇州中學，江蘇蘇州215006)一個新的物理概念的引出往往意味著學生思維結構的一次變化．當學

8、生原有的思維方式、認知水平一時難以適應這一變化時，就需要教師想方設法地尋找學生原有的思維方式、認知水平與新概念間的聯(lián)系，為學生鋪設臺階，使學生的思維一步一步提高．這樣形成的概念，學生容易接受而且印象深刻．新教材“彈性勢能”這一節(jié)中，不要求定量研究彈性勢能，也不要求學生掌握探究的結論，更不要求用彈性勢能的