DIS與電容器實驗的整合

于海富

摘 要： 近年來，DIS作為嶄新的實驗輔助設(shè)備系統(tǒng)，正逐步應(yīng)用于初高中學(xué)生的物理實驗教學(xué)中，本文以幾個具有代表性的電學(xué)實驗為例，介紹了DIS與傳統(tǒng)電學(xué)實驗的整合。

關(guān)鍵詞： DIS 電學(xué)實驗 電容器 整合

初高中物理實驗中的電學(xué)部分是教學(xué)的一大難點，由于這部分知識抽象且難于理解，利用傳統(tǒng)教授式教學(xué)，學(xué)生學(xué)起來很吃力。如果電學(xué)部分借助實驗來教學(xué)，則可使抽象的電現(xiàn)象形象化、直觀化，將更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。但是利用傳統(tǒng)的實驗儀器進行實驗，實驗數(shù)據(jù)處理繁瑣，并且誤差較大，往往大量的時間和精力都花費在數(shù)據(jù)處理上而忽略對實驗現(xiàn)象及規(guī)律的探討，使教學(xué)效率大大降低。

DISLab為中學(xué)物理開設(shè)了全新的實驗平臺，并且正逐步應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中。DIS與物理教學(xué)的整合是實現(xiàn)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變的有效途徑之一。

在中學(xué)物理教學(xué)中，由于電學(xué)現(xiàn)象比較抽象，學(xué)生普遍感到學(xué)起來比較困難。傳統(tǒng)實驗手段很難使學(xué)生對電學(xué)現(xiàn)象有一個形象直觀的印象。如電容的充、放電過程為一個暫態(tài)過程，并且變化過程很短暫，利用傳統(tǒng)實驗手段學(xué)生很難觀察到暫態(tài)變化過程。而利用DIS實驗系統(tǒng)可以很容易使暫態(tài)變化過程形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

1.利用DIS研究電容器的沖、放電過程

如圖1所示，取電容值為100接入學(xué)生電源選擇電壓為直流6v，調(diào)節(jié)電阻箱電阻為10k。將DISLab電壓傳感器并聯(lián)在電容器兩極間。打開DISLab教材通用軟件，計算機自動將電壓傳感器采集到的電壓信號動態(tài)顯示在屏幕上。將單刀雙擲開關(guān)打到1，電容器充電；一段時間后，充電完畢，電容器兩極板間電壓為一恒定值，然后將開關(guān)打到2，電容器放電。電壓傳感器自動將采集到的電容器兩極板間電壓隨時間變化的圖線記錄下來（如圖2）。由圖2可以看出，電鍵打到1，電容器兩極間電壓在很短時間內(nèi)達到最大，單刀雙擲開關(guān)打到2時，電容器兩極間電壓逐漸減小至零。

圖2 電容充放電圖線

DIS系統(tǒng)將電容器充放電的暫態(tài)變化過程動態(tài)形象地演示出來。利用DIS的動態(tài)演示功能可以研究通電螺線管的自感現(xiàn)象。

2.利用DIS研究電容器串聯(lián)和并聯(lián)時電容的大小

按照圖3連接電路，電壓傳感器并聯(lián)在電阻R兩端。打開DIS通用軟件，在繪圖界面的控制面板區(qū)點擊添加“電壓—時間”圖線，將單刀雙擲開關(guān)置于1位置，電容器開始充電，一段時間后，再將單刀雙擲開關(guān)置于2，電容器開始放電。計算機自動采集電容器放電過程中電壓隨時間變化的圖線（如圖4所示），當(dāng)電壓傳感器示數(shù)減為零后點擊停止。

圖3 電容器充放電

原理圖

圖4 電容器放電電壓-時間

通過以上演示實驗看出，在電容器放電過程中，電容器兩極間電壓是變化的。如果求出放電過程中電壓對時間的積分，再除以放電電阻R就可以得到電容器電量Q。由電容器的電容定義式C=■可知，只要測得電容器充、放電時的最大電壓U，那么根據(jù)電容器的定義式就可以計算出電容器的電容大小。

利用DIS測量電容器的電容，并驗證電容器串、并聯(lián)后電容的計算公式■=■+■，C■=C■+C■。

取兩個電容為100μF的電容器，電阻箱值R為10K，學(xué)生電源為直流6v，按照上述演示過程測量出電壓的動態(tài)變化圖像，點擊控制面板中的“其他處理”，選擇“積分”，屏幕上自動顯示出電壓的積分值，將積分值除以電阻箱阻值R，即得到電容器電量Q，再用電量除以最大電壓便得到電容器的電容。改變電阻阻值多次測量，測量結(jié)果見表1：

表1 電容計算表格

數(shù)據(jù)分析：理論值：■=■+■=■+■=■，即C■的理論值為56.5μF，測量值為57.2μF，測量值與理論值的相對誤差為1.2%；C■=C■+C■=107.5μF+118.9μF=226.4μF，即C■的理論值為226.4μF，測量值為228.6，相對誤差為0.97%。在誤差允許范圍內(nèi)，實驗驗證了電容器串、并聯(lián)總電容的計算公式。

應(yīng)用DIS實驗系統(tǒng)，在研究電學(xué)暫態(tài)過程中顯示了極大的優(yōu)越性，它將傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)“點采集”過程過渡到“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，有效解決暫態(tài)現(xiàn)象測量等實驗難題。

DIS完善的數(shù)字化實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實驗儀器不能進行和難于進行的實驗，拓寬實驗內(nèi)容，填補很多傳統(tǒng)實驗的空白。在真實實驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)新課標(biāo)要求的“信息技術(shù)與物理學(xué)科教學(xué)的全面整合”，在電學(xué)教學(xué)中為學(xué)生進行廣泛研究提供前所未有的工具和條件，對促進學(xué)生動手能力、探究能力、歸納能力有很大幫助。DIS具有良好的應(yīng)用前景，如何使DIS更好地應(yīng)用于電學(xué)教學(xué)，有待繼續(xù)研究。

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