數字化實驗與傳統(tǒng)實驗在初中物理熱學中的對比研究

劉啟書

摘 要：簡單介紹數字化實驗平臺，應用此平臺完成水的沸騰和晶體與非晶體的熔化實驗，并與相應的傳統(tǒng)實驗進行對比，進而認識各自的優(yōu)點和不足。

關鍵詞：數字化實驗；沸騰；熔化；沸點；熔點

我校的數字化實驗室已經建立了多年，通過一段時間的使用，總體來說，學生對它都是持肯定的態(tài)度，有的學生說數字化實驗室的使用給學習帶來了不少便利，也有的學生說不能充分體現(xiàn)中考的要求，有的考點尚不能完全落實。本學期我們初中物理組將學生分成了兩大類，一類做數字化實驗，一類做傳統(tǒng)實驗?，F(xiàn)在我們將這次實驗結果比較如下：

一、水的沸騰實驗分析

1.傳統(tǒng)實驗探究水的沸騰

傳統(tǒng)實驗是按照教材進行操作，利用溫度計來測量溫度，用秒表來記錄時間，看時間的同時還要準確讀數，很難做到同時性，讀完了數據還要記錄在設計好的表格內，用數學畫函數圖象的方法根據表格數據描點、連線，而描出來的點并不具備連續(xù)性，使得誤差加大。這種實驗的優(yōu)點在于學生既練習了溫度計的使用，又練習了秒表的使用，而且符合中考要求，要求學生掌握的技能比較全面。

2.數字化探究水的沸騰

實驗裝置：數字化實驗平臺、溫度傳感器、大試管、酒精燈、鐵架臺、水。

實驗步驟：（1）將溫度傳感器與電腦相連，打開工作室界面，設置傳感器的頻率為10次/分。（2）將溫度傳感器伸入熱水中固定好傳感器。（3）點燃酒精燈給水加熱，當溫度顯示為90℃時開始記錄，隨著實驗的進行，采集器把時間和溫度的變化數據記錄到電腦中，通過圖表顯示出來。

數據分析：由PLAB思邁數字化物理實驗軟件做出的圖像圖3很清楚地展示出溫度的變化，通過上圖，不難看出，水的溫度從85℃到95℃之間是逐漸上升的，但也有發(fā)生變化的情況，而96℃后的溫度比較平穩(wěn)，卻并不是一條直線。它真實地反映了實驗中溫度的具體變化過程，這些都在誤差范圍內。

二、晶體和非晶體的熔化

1.石蠟的熔化

石蠟是塊狀固體，要想讓溫度傳感器與石蠟充分接觸很不容易，我們特地將石蠟切成小塊，然后將溫度傳感器深入石蠟并擠壓使其緊密接觸。而石蠟傳熱較慢，又不能用酒精燈直接加熱，所以只有用水浴法進行加熱。

本實驗器材為：石蠟、水、酒精燈、燒杯、大試管、鐵架臺、溫度傳感器、PLAB實驗平臺。

實驗步驟：（1）用酒精燈加熱水大約90℃。

（2）將裝有溫度傳感器的大試管輕輕放入燒杯的水中，充分接觸。

（3）接好傳感器，開始記錄數據。隨著實驗的進行，采集器把時間和溫度的變化數據記錄到電腦中，通過圖表顯示出來。

數據分析：通過實驗平臺記錄的數據，我們不難發(fā)現(xiàn)，從整體上看，石蠟在熔化過程中溫度是逐漸升高的，雖然個別時刻溫度在降低，卻也完全符合實驗事實。降低的原因主要體現(xiàn)在溫度傳感器與石蠟的結合緊密程度有關，空氣流動狀況也會影響到傳感器的讀數。正是因為傳感器的精確度高，反應靈敏，我們才看到了石蠟熔化時的溫度值。

2.海波的熔化

海波是物理化學實驗中的理想藥品，其熔化的溫度不高也不低，十分適合實驗室操作。海波是細顆粒狀的晶體，方便溫度傳感器插入其中，達到充分接觸的目的。而冰雖然是常見，但它是塊狀固體，傳感器插不進去，而且在較低溫度時就熔化了，不好掌握。

實驗原理：任何物質，在溫度升高時，物態(tài)也會發(fā)生變化。

主要實驗方法：水浴法（使晶體均勻受熱）。

實驗器材：鐵架臺、酒精燈、石棉網、水、燒杯、試管、晶體（海波）、溫度傳感器、PLAB數字化實驗平臺、玻璃棒。

操作提示：（1）把裝有海波的試管（高度約3cm）放在盛有熱水（稍低于熔點，海波的熔點是48℃）的大燒杯里。試管內裝有溫度傳感器，傳感器設置為每分鐘記錄10次。

（2）當海波的溫度接近熔點時，稍減慢加熱速度。注意觀察海波的變化：試管壁開始→海波逐漸熔化→溫度基本保持在熔點左右→海波全部熔化后→溫度持續(xù)上升。約超過熔點3℃時停止加熱。

實驗現(xiàn)象：（1）開始加熱時，海波物態(tài)不變，電腦示數逐漸增大。（2）在一定的溫度下（熔點）海波開始融化，熔化過程中吸熱，但電腦示數基本保持不變，海波處于固液共存態(tài)。（3）當海波全部熔化完畢，繼續(xù)加熱，電腦示數再逐漸增高。

實驗完成后停止加熱，電腦也停止記錄數據，把電腦處理好的數據進行分析，這在很大程度上避免了學生在采集數據時可能出現(xiàn)的失誤，減少了學生采集實驗數據不可用的情況的出現(xiàn)，同時也避免了很多不必要的誤差，有利于學生對數據的分析以及結論的得出：海波的熔點大致在47℃左右。

從以上實驗可以看出，PLAB實驗設備不同于傳統(tǒng)商業(yè)儀器，它在物理教學中有相當多的優(yōu)勢。

（1）實驗過程更加簡化，實驗時間大大減少，實驗效率明顯提高。

（2）實驗所得的實驗數據與傳統(tǒng)的實驗方式相比要更加符合客觀的規(guī)律，數字化實驗設備這種由采集器、傳感器、實驗附件以及相應軟件組成的實驗系統(tǒng)，可以使學生更精確地采集數據。這在很大程度上避免了學生在采集數據時可能出現(xiàn)的失誤，減少了學生采集實驗數據不可用的情況的出現(xiàn)，同時也避免了很多不必要的誤差，有利于學生對數據分析以及結論的得出。

（3）數字化實驗設備不得不提的是它的可視化，學生第一次通過我的介紹，見到這種直觀地通過數字、波形、儀表、柱狀等多種形式顯示出來的實驗現(xiàn)象和數據時，好奇心很強。

（4）數字化實驗設備能快速地處理實驗數據，這相比傳統(tǒng)的代入數據計算少了計算的過程。

我校數字化實驗室的投入使用給我校師生帶來了良好的教學效果，相信隨著使用經驗的累積，以及教師專業(yè)技能的提高，物理探究性實驗教學的教學質量將會有進一步提高。

編輯 張珍珍