用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量滑輪組的機(jī)械效率

王成友

摘 要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為一種新的教學(xué)方式和新型課程資源，以學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，通過計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與初中物理課程的有效整合.筆者嘗試用拉力傳感器測量滑輪組的機(jī)械效率，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn).

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；傳感器；滑輪組；機(jī)械效率

今年3月，我校建成了兩個數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室——物理和化學(xué)各一個，物理實(shí)驗(yàn)室配備有15套數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn)器材和一套VR，可以開展系列數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)，如：測量小車速度、研究液體吸熱實(shí)驗(yàn)、摩擦力實(shí)驗(yàn)、作用力與反作用力實(shí)驗(yàn)、浮力定律、電阻定律實(shí)驗(yàn)、常規(guī)電學(xué)實(shí)驗(yàn)等.極大地改善了我校的實(shí)驗(yàn)條件，為我校物理、化學(xué)和生物教學(xué)提供了較好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和課程資源.本文以“測量滑輪組的機(jī)械效率”為例，探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用.

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過傳感器替代傳統(tǒng)的儀表，將采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過接口設(shè)備交由數(shù)據(jù)處理器（如計(jì)算機(jī)、圖像計(jì)算器、平板電腦等），經(jīng)過分析處理，從而能夠更加清晰、明確地展示現(xiàn)象，揭示科學(xué)規(guī)律.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既是對傳統(tǒng)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，又是對傳統(tǒng)理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器、接口設(shè)備和數(shù)據(jù)處理器組成的多功能測量系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)作模式如圖1所示.

系統(tǒng)各組件功能說明：傳感器用來快速、高精度適時采集科學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種數(shù)據(jù)；接口設(shè)備接受來自傳感器的數(shù)據(jù)并輸入計(jì)算機(jī)，能夠同步記錄模擬和數(shù)字信號，具有極高的采樣率；數(shù)據(jù)處理器是整個數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，具有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示等功能.數(shù)據(jù)處理器具有智能工具、曲線擬合、計(jì)算器、選定統(tǒng)計(jì)、坐標(biāo)變換、設(shè)置值、任務(wù)清除、數(shù)據(jù)/圖形、智能儀器顯示等功能.例如， “數(shù)據(jù)/圖形”可用來存儲、編輯、打印，并可轉(zhuǎn)存為 Excel/ Word文檔進(jìn)行處理，方便學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；“曲線擬合”可以實(shí)現(xiàn)從最基本的線性擬合到自定義擬合.

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢

（1）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能十分強(qiáng)大，提高了教學(xué)效率

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)含有硬件和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室專用軟件.它發(fā)揮了傳感器和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了高精度、高速度和自動化測量，采集到多種完整、動態(tài)的信息，并且能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出多維的、綜合性的分析處理.這樣就把教師和學(xué)生從繁瑣的、重復(fù)性的勞動中解放出來，集中精力于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、歸納總結(jié)、交流信息和從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律.通過傳感器快速而高精度地完成力、熱、聲、光、電等各類實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，并由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、分析來展示真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使教學(xué)輕松而高效.

（2）創(chuàng)新教學(xué)手段，促進(jìn)信息技術(shù)與課程的全面整合

“信息技術(shù)應(yīng)包括：現(xiàn)代感應(yīng)技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能技術(shù)和控制技術(shù).”科技的進(jìn)步必然促進(jìn)教育的發(fā)展，近年來信息技術(shù)的飛速發(fā)展，給教育教學(xué)領(lǐng)域帶來翻天覆地的變化，新型的教學(xué)設(shè)備提供了全新的教學(xué)手段，開拓了全新的視野，更產(chǎn)生了全新的成果，其中信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合已經(jīng)成為世界教育領(lǐng)域發(fā)展的潮流.

科學(xué)的本質(zhì)是探索真理和發(fā)現(xiàn)真理，但是由于種種原因，信息技術(shù)與課程的整合一直停留在比較膚淺的層面上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出現(xiàn)從根本上解決了這一問題，它從初中物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)——實(shí)驗(yàn)入手，通過數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備去解決初中物理教學(xué)中的問題，不僅提高了教學(xué)效率，解決了教學(xué)難題，更進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和探究精神.

（3）更新教學(xué)理念，適應(yīng)新課程和“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的需要

現(xiàn)代教育的理念是不僅要使學(xué)生獲得一定的知識和技能，更要通過學(xué)習(xí)過程養(yǎng)成科學(xué)的思維和研究方法，還要形成正確的情感、態(tài)度和價值觀.新課程提倡全面發(fā)揮學(xué)生的主動性，使學(xué)生較為深入地學(xué)習(xí)物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)的有關(guān)理論、方法和技能，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).主要表現(xiàn)為，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，養(yǎng)成交流與合作的良好習(xí)慣，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐能力等方面.

新課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案的自我設(shè)計(jì)，深入對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)誤差分析，重視對實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評估.而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在激發(fā)學(xué)生興趣，促進(jìn)師生對實(shí)驗(yàn)過程探究、實(shí)驗(yàn)誤差分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評估等方面顯然具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法超越、無可比擬的優(yōu)勢.

二、用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量滑輪組的機(jī)械效率

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在初中物理教學(xué)的常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、科學(xué)探究深入等方面具有很廣闊的應(yīng)用前景.例如，用拉力傳感器和“SenseDisc iLab數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件，即可改進(jìn)“測量滑輪組的機(jī)械效率”實(shí)驗(yàn).

1.用彈簧測力計(jì)測量滑輪組的機(jī)械效率

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對機(jī)械效率的要求是：“知道機(jī)械效率.了解提高機(jī)械效率的途徑和意義.測量某種簡單機(jī)械的機(jī)械效率.”滑輪組的機(jī)械效率通常用彈簧測力計(jì)和刻度尺測量，所用裝置如圖2所示，需要測出拉力F、拉力移動的距離s、提升的鉤碼的重力G和鉤碼上升的高度h，然后計(jì)算滑輪組的機(jī)械效率.并改變鉤碼的重力和滑輪的重力進(jìn)行多次測量，從而探究滑輪組的機(jī)械效率的大小與哪些因素有關(guān).本實(shí)驗(yàn)測量準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵是彈簧測力計(jì)必須沿豎直方向勻速向上拉動，才能準(zhǔn)確測出拉力F的大小，從而較準(zhǔn)確地測出滑輪組的機(jī)械效率，才能通過數(shù)據(jù)分析出影響滑輪組機(jī)械效率大小的因素.

但是，用彈簧測力計(jì)測量拉力F會出現(xiàn)以下問題：彈簧測力計(jì)很難實(shí)現(xiàn)勻速拉動，其示數(shù)不穩(wěn)定，且彈簧測力計(jì)在運(yùn)動中讀數(shù)，不易準(zhǔn)確讀出拉力F的大小.利用拉力傳感器和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來測量，即可解決以上問題.

2.用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量滑輪組的機(jī)械效率

（1）實(shí)驗(yàn)裝置及器材：滑輪組一套（本例組裝成拉動滑輪的繩子段數(shù)為3的滑輪組，滑輪1重為024 N，滑輪2重為006 N，事先已用拉力傳感器測得）、鐵架臺、鉤碼一盒（每個鉤碼重為198N，事先已用拉力傳感器測得）、拉力傳感器、智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤、計(jì)算機(jī)等.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，拉力傳感器可以準(zhǔn)確測量拉力F的大小，并通過智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析.

（2）實(shí)驗(yàn)操作：

①搭建實(shí)驗(yàn)：組裝滑輪組.將拉力傳感器與智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤相連，再將智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤用數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連.

②軟件設(shè)置：由于“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件中并沒有直接測量滑輪組機(jī)械效率的版塊，需要利用“公式編輯器”編輯滑輪組機(jī)械效率的計(jì)算公式（本例不再測量鉤碼上升的高度和拉力移動的距離，計(jì)算公式簡化為η=G3F）.公式編輯時，先添加鉤碼的重力G（作為變量添加），如圖4所示；再編輯添加機(jī)械效率的計(jì)算公式，如圖5所示.實(shí)驗(yàn)時間設(shè)置為5秒，數(shù)據(jù)測量時間間隔為100毫秒，系統(tǒng)會自動記錄51次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

③進(jìn)行測量：

第一次用滑輪1提升1個鉤碼，用拉力傳感器拉動繩端豎直向上勻速上升，測出拉力大小，軟件自動記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；手動輸入重力（198N）后，系統(tǒng)自動計(jì)算出機(jī)械效率，如圖6所示為第30次至第51次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel文件，在Excel文件中求取平均值為697159%，如圖7 所示.

第二次測量用滑輪1提升2個鉤碼的機(jī)械效率，求取平均值為814239%，測量結(jié)果如圖8所示.

第三次測量用滑輪2提升1個鉤碼，求取平均值為721431%，測量結(jié)果如圖9所示.

第四次測量用滑輪2提升2個鉤碼的機(jī)械效率，求取平均值為820594%，測量結(jié)果如圖10所示.

（3）實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示.

分析數(shù)據(jù)可得結(jié)論：對比1、2或3、4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所用滑輪相同時，提升的鉤碼越重，滑輪組的機(jī)械效率越大；對比1、3或2、4可知，提升的鉤碼相同時，所用滑輪越輕，滑輪組的機(jī)械效率越大.

（4）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比的優(yōu)點(diǎn)：拉力由拉力傳感器連續(xù)測出51組數(shù)據(jù)，可判斷是否勻速拉動，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)，拉力存在003N的波動，基本穩(wěn)定；數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動計(jì)算和處理，節(jié)約了課堂時間，提高了測量的精確度；通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了影響滑輪組機(jī)械效率的因素，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和數(shù)據(jù)分析能力.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于初中物理教學(xué)，有利于初中物理新課程的推進(jìn)，有利于傳統(tǒng)教育技術(shù)與“互聯(lián)網(wǎng)+”時代新的教育技術(shù)結(jié)合，必將深受學(xué)生和教師的歡迎.基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的初中物理教學(xué)也必將在常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、科學(xué)探究深入三個應(yīng)用層次上大有可為.

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