DIS系統(tǒng)在“法拉第電磁感應定律”中的應用

王嵐

摘 要：在傳統(tǒng)的教學實驗中，“法拉第電磁感應定律”往往都是由教師直接給出最后的定律內容，這樣的實驗過程使得學生真正參與探究的部分非常少。而DIS系統(tǒng)可以通過傳感器快速獲取并處理實驗數(shù)據，彌補傳統(tǒng)教學實驗的不足，并且便于對實驗進行改進、創(chuàng)新。

關鍵詞：DIS系統(tǒng)；實驗；創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2018）11-032-1

DIS是一個用傳感器獲取信息，經數(shù)據采集器后由計算機對信息進行數(shù)據和圖形處理的教學技術平臺。使用DIS系統(tǒng)可以實現(xiàn)將數(shù)據采集、數(shù)據處理變得更為簡單，節(jié)省出更多的時間可以用于給學生進行實驗的設計和改進，從而讓學生體驗到更多的實驗探究的樂趣和成就感。

一、實現(xiàn)更為簡單的數(shù)據采集

針對《法拉第電磁感應定律》一課中傳統(tǒng)的教學實驗的弊端，我和同組教師首先在試驗中做了初步的實驗改進。

在這個實驗中，我們可以使用刻度尺調節(jié)磁鐵下落高度，進而控制磁通量的變化時間，同時使用電壓傳感器來測量線圈的感應電動勢。通過DIS系統(tǒng)實驗圖線的變化，我們可以更為直觀地看到實驗過程中的感應電動勢的大小變化，點擊鼠標右鍵還可以選擇查看圖線上某一點的具體值（包括時間和感應電動勢），這樣學生就能夠觀察到更為直觀的數(shù)據。而且這個實驗是在傳統(tǒng)教學實驗的基礎上稍微做了一些改進，操作難度不大，可以讓學生自己設計完成。

二、實現(xiàn)簡化的數(shù)據處理過程

在能夠方便、直觀的采集到實驗數(shù)據的基礎上，還可以通過DIS系統(tǒng)對數(shù)據進行處理，這可以讓學生能夠在有限的時間內得到更為具體的實驗結論，為此我們又進行了下面的實驗。

這個實驗中同時采用了電壓傳感器和光電門傳感器，當磁通量變化相同時可以得到感應電動勢和時間的關系。進入配套的電磁感應定律數(shù)據采集系統(tǒng)，實時采集數(shù)據后，就可以非常方便、直觀的看到實驗結論。這樣就可以省去大量的數(shù)據處理時間，適合教師進行演示教學。

但是，在這個實驗過程中我們遇到了一些困難和阻礙。首先，這個實驗裝置是有內接電壓傳感器的，只需要外接光電門傳感器就可以同時得到感應電動勢和對應時間的數(shù)據，但是在實驗中我們發(fā)現(xiàn)這僅有的一套裝置的內接電壓傳感器和配套的應用程序無法進行數(shù)據連接，系統(tǒng)顯示為沒有接入傳感器。經過多次嘗試無果后，我們只好改用外接電壓傳感器的方法。但是本套器材沒有提供外接插孔，我們開始通過纏繞金屬絲的方法將電壓傳感器和裝備連接起來，但是讀出的電壓值出現(xiàn)了負值：即線框以相同的速度方向切割磁感線，而輸出電壓有時為正，有時為負。

經排查，問題沒有出現(xiàn)電壓傳感器本身。我們初步猜測是線圈下落過程會帶動傳感器接頭，讀出電壓值出現(xiàn)了不穩(wěn)的現(xiàn)象，多次出現(xiàn)了負值。

因此我們采用膠帶纏繞等固定方法，電壓讀數(shù)不穩(wěn)的現(xiàn)象得到了改善，所測電壓出現(xiàn)負值的幾率明顯變小，但似乎還是無法完全消除出現(xiàn)負值的情況。

此外，排除無效數(shù)據之后，我們又發(fā)現(xiàn)獲得的圖像明顯與縱軸出現(xiàn)交點，而不是接近或通過原點。我組教師結合實驗進行研討，在保證磁通量一定的情況下，排除無效數(shù)據之后，圖線斜率理論上應該不會出現(xiàn)太大偏差。所以出現(xiàn)與坐標軸交點，應該是圖像出現(xiàn)平移。那么在采集數(shù)據中感應電動勢和時間值，到底是哪個數(shù)據出現(xiàn)了偏差呢？

考慮線圈內阻的情況下，我們可以分析得到實驗獲取的感應電動勢的值應比實際值偏小，那么圖像要整體向下平移，會與橫軸有交點，而不是與縱軸有交點。而時間值的獲得主要依靠光電門傳感器，線圈下落時攜帶的擋板通過光電門的時間被記錄為磁通量的變化時間，那么這兩個時間是否真的完全對應上了嗎？我們注意到，光電門在上方放置位置較高，這意味著擋板通過光電門時的時間會略大于真正的磁通量的變化時間。那么整體圖像將相對于理論值向左平移，會與縱軸出現(xiàn)交點。當我們將光電門位置適當下調后，情況得到了一定的改善，獲得了更為理想的圖像結果。

由此，我們又想到，可不可以再對實驗進行進一步的改進設計？前面的實驗中，由于線框帶動電壓傳感器的接線運動，導致電壓值讀取出現(xiàn)不穩(wěn)，那么是否可以讓線框不動，換成磁鐵運動呢？那么，我們就可以讓學生結合電壓傳感器和光電門傳感器進行討論，從而進行新的實驗設計。

三、實現(xiàn)教學實驗的改進、創(chuàng)新

由于在上個實驗中，我們認為電壓讀數(shù)偶爾出現(xiàn)負值主要是因為線圈下落過程，電壓傳感器連線會發(fā)生震動。因此，我們設計了如下實驗。

開始的幾次實驗中，我們只是將線圈簡單進行了固定，然后連接電壓傳感器。讓小車帶動磁鐵相對線圈發(fā)生運動。通過改變軌道傾角，進而改變磁鐵相對線圈的運動時間。開始幾次得到的數(shù)據圖線。但有些點明顯沒有在一條直線上，應該是斜率出現(xiàn)偏差，也就是說磁通量的變化量可能不完全相同。我們觀察發(fā)現(xiàn)，通過導軌上的坐標刻度，可以看到每次碰撞后線圈都出現(xiàn)了明顯的挪位，這可能是導致磁通量變化量不同的原因。于是我們將線圈位置固定在導軌末端，來減少線圈被撞挪位的現(xiàn)象。之后，我們得到了更為準確的數(shù)據圖像。

同時，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)，小車速度越大時，讀出的電壓似乎更容易出現(xiàn)不準確的現(xiàn)象，比如時間變短了，電壓也變小了。我們經過分析認為，應該是由于撞擊力度越大時，電壓傳感器接頭也會受到明顯震動，導致電壓讀數(shù)出現(xiàn)偏差，但是沒有再出現(xiàn)電壓負值的情況。相對于上一實驗，有了一定的改善。但是由于實驗用到的線圈匝數(shù)較多，內阻稍大一些，圖線會明顯與橫軸出現(xiàn)交點。

在這幾次實驗中，我感到，在我們有限的課堂教學時間內，完全可以嘗試通過DIS系統(tǒng)的應用把學生從繁瑣的數(shù)據收集和數(shù)據處理中解放出來，讓更多的學生參與到實驗的設計和創(chuàng)新中來。當然這其中也需要教師不斷進行探索、試驗，結合不同的實驗目的進行相應的實驗教學。