數(shù)字化實驗系統(tǒng)在物理實驗中的應(yīng)用

潘炳鋒

摘 要：數(shù)字化實驗系統(tǒng)是利用傳感器將實驗中獲得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，利用數(shù)據(jù)分析軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得實驗圖像和數(shù)據(jù)表格，以此來探究或驗證科學(xué)規(guī)律。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗系統(tǒng)；勻變速直線運動的速度-圖象關(guān)系；探究牛頓第三定律

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）05-117-02

計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給我們的中學(xué)實驗教學(xué)帶來了全新的變化。在以往的實驗教學(xué)中，我們常常帶領(lǐng)學(xué)生動手實驗，學(xué)生要操作實驗儀器，并及時記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗完成后，還要整理數(shù)據(jù)表格，通過描點法繪出相應(yīng)的圖像，這些過程費時費力，工作量相當(dāng)大。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)就是將傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，構(gòu)成的全新的現(xiàn)代化實驗教學(xué)體系。這種實驗系統(tǒng)是依托傳感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，在實驗中利用傳感器測量、采集接收各種實驗數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時輸入計算機(jī)進(jìn)行處理和分析，最終在電腦顯示器上輸出實驗數(shù)據(jù)和圖像，最終達(dá)到能快速準(zhǔn)確的總結(jié)出實驗結(jié)論的目的。

一、數(shù)字化實驗系統(tǒng)有以下幾部分組成：

1、傳感器：直接用于采集實驗數(shù)據(jù)。

2、數(shù)據(jù)采集器：連接傳感器與電腦，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。

3、數(shù)據(jù)分析軟件：用于實驗的設(shè)計，數(shù)據(jù)記入、保存、分析、處理。

4、配套實驗器材：用于搭建實驗平臺，配合傳感器更好的完成實驗。

二、數(shù)字化實驗系統(tǒng)的連接方法：

硬件連接：將配套實驗器材搭建好，根據(jù)實驗需求把傳感器安置在實驗器材上；將傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接；將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接。

軟件設(shè)置：雙擊桌面的DIS數(shù)據(jù)分析軟件，點擊通用軟件，進(jìn)入軟件界面，根據(jù)實驗需求進(jìn)行軟件界面的設(shè)置。筆者經(jīng)系統(tǒng)培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，將如下三個實驗進(jìn)行實踐操作，現(xiàn)總結(jié)如下：

三、探究勻變速直線運動的速度與時間關(guān)系

實驗?zāi)康模禾骄縿蜃兯僦本€運動中速度隨時間的變化規(guī)律

實驗器材：微型調(diào)節(jié)支架組件、多功能導(dǎo)軌、寬L型支架、動力學(xué)小車、光電門、緩沖器、滑輪架組件、鉤碼、細(xì)線、緊固件、采集器和計算機(jī)等。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將光電門傳感器如圖固定在導(dǎo)軌上。

2、用網(wǎng)線將位移傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接；用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接。

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進(jìn)入實驗界面；

4、點擊“光電門設(shè)置”按鈕，對光電門進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后再選擇實驗類型：直線運動；測量方式：獨立測量；被測物理量：速度；擋光片類型：滑輪；其他選擇默認(rèn)后點擊“完成”；點擊增加線按鈕，添加速度-時間圖線；

5、在速度-時間圖像上設(shè)置合適的采集時間（1分鐘）和采集間隔（0.1秒）后點擊開始按鈕，釋放小車，點擊開始按鈕，采集數(shù)據(jù)的同時繪出圖線；

6、實驗結(jié)束后點擊結(jié)束按鈕結(jié)束實驗。

實驗結(jié)果與分析：

做勻變速直線運動的物體，其速度隨時間變化的關(guān)系符合一次函數(shù)的關(guān)系，與速度公式 的描述是一致的。其中， 表示初速度； 表示末速度； 表示加速度。

四、探究牛頓第三定律

實驗?zāi)康模禾骄孔饔昧εc反作用力的關(guān)系

實驗器材：計算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，USB線，作用力與反作用力的關(guān)系實驗器，2個力傳感器等。

實驗原理：根據(jù)牛三定律，作用力與反作用力大小相等，方向相反，且作用在同一直線上。此實驗器將2個力傳感器固定在一條直線上，形成作用力與反作用力的關(guān)系。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將2個力傳感器如圖固定；

2、用網(wǎng)線將2個力傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接；用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接；

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進(jìn)入實驗界面；

4、點擊“公式編輯”，可以看到F1、F2分別代表力傳感器示數(shù)，在變量名中輸入F3，名稱輸入力，單位選擇N，類型選擇公式，輸入-F2，點擊增加；

5、點擊快速實驗，勾選F1，F(xiàn)3，建立“F1、F3-t”坐標(biāo)關(guān)系，點擊傳感器校準(zhǔn)按鈕，對力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；

6、點擊“開始”按鈕，同時將滑板支架上的力傳感器拉或是推，直至實驗數(shù)據(jù)采集完成后，點擊“停止”按鈕。

實驗結(jié)果與分析：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，但不在同一物體上。

五、探究浮力的大小與排開液體重力的關(guān)系

實驗?zāi)康模禾骄扛×Φ拇笮∨c排開液體重力的關(guān)系

實驗器材：計算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，力傳感器、浮力定律實驗器實驗配套裝置等。

實驗原理：浸在液體里的物體受到豎直向上的浮力，浮力大小等于被物體排開的液體所受重力。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將力傳感器如圖固定；

2、用網(wǎng)線將力傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接；用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接；

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進(jìn)入實驗界面，對力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，掛上重物，記錄固定在鐵架臺上力傳感器的示數(shù)（例如3N）；

4、點擊“公式編輯”，增加變量h、單位cm，表示水沒過重物的高度；編輯公式V=3.14×（0.025）2×0.01×h（圓柱體的直徑：5cm），表示排開水的體積；編輯公式F=3-F1，表示重物受到水的浮力大小；編輯公式G=1000×V×9.8，表示重物排出液體的重量，編輯好后點擊“增加”；

5、點擊“增加線”按鈕，y軸設(shè)置為“浮力，排出液體的重力”，x軸設(shè)置為時間；調(diào)節(jié)升降臺，使配重塊逐步浸入水中，手動輸入h，點擊“手動采集”，記錄數(shù)據(jù)；

6、實驗結(jié)束后，生成實驗數(shù)據(jù)表格，比較浸在液體中的物體受到的浮力和被物體排開的液體的重力；

實驗結(jié)果與分析：

從左邊表格可以發(fā)現(xiàn)：浮力與排開水的重力基本相等；右側(cè)圖像：浮力與排開水的重力圖線基本重合。這樣，誤差允許范圍內(nèi)，對浸入液體內(nèi)的物體，受到液體的浮力等于該物體排開水的重力。

總之，采用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后，實驗過程大大簡化，實驗時間大幅縮短，優(yōu)點是不言而喻的，總結(jié)有以下幾點：

1、采用各種精準(zhǔn)的傳感器，使采集到的數(shù)據(jù)更加精確。

2、由于采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軟件技術(shù)，處理數(shù)據(jù)更加快速正確，并能根據(jù)需要，及時輸出數(shù)據(jù)和圖像，還能對圖像進(jìn)行自由調(diào)節(jié)和進(jìn)一步處理，這樣可以節(jié)約實驗時間，大大提高了課堂效率。

3、可以自由改變圖像的顯示方式。例如，在探究牛三定律時，我們只要編輯軟件中的公式，在編輯公式中增加F3這一變量，并將該變量設(shè)為F3=-F2，原來F2實驗圖像就會翻轉(zhuǎn)180度，與F1圖像對比后，使學(xué)生形象生動的觀察到兩個力大小相等，方向相反，充分體現(xiàn)了軟件的強(qiáng)大功能。

4、數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享?，F(xiàn)在隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，傳感器的類型更多，功能更強(qiáng)：從有線傳輸變成了無線傳輸；數(shù)據(jù)采集器還集成了顯示功能，預(yù)裝了數(shù)據(jù)分析和處理軟件Logger Pro3，使學(xué)生帶著傳感器和數(shù)據(jù)采集器就能完成了實驗，甚至還能將實驗數(shù)據(jù)和圖像通過WiFi傳給蘋果手機(jī)用戶，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和傳輸，不得不感嘆現(xiàn)代科技之發(fā)達(dá)和高超。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，在我們的實驗教學(xué)中如果能引進(jìn)先進(jìn)的儀器和技術(shù)，無疑能極大的提高我們的實驗效果和課堂效率。

當(dāng)然，事物都有兩面性，科技是一把雙刃劍，先進(jìn)的科技在帶給我們方便的同時，也有幾個問題值得我們思考和探討：

1、采用數(shù)字化實驗系統(tǒng)做實驗，我們得先了解各種硬件的特點和連接方法，同時還要學(xué)習(xí)數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件的操作方法和使用技巧，這是要化時間進(jìn)行培訓(xùn)和學(xué)習(xí)的，對于學(xué)生來說，要求更高，化費的時間可能也更長。

我們物理新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“過程和方法”，注重學(xué)生設(shè)計實驗、采集數(shù)據(jù)等多方面的能力培養(yǎng)，而數(shù)字化實驗系統(tǒng)將數(shù)據(jù)的采集、記錄和描繪等一系列步驟全都有計算機(jī)代替完成了，學(xué)生這些方面的能力可能得不到培養(yǎng)和發(fā)展。