將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗淺探

邢海根 傅求寶

[摘 ? 要]文章分析了用傳統(tǒng)實驗研究帕斯卡定律的缺點，如組裝難度大、實驗誤差大等。在此基礎上，提出了實驗改進方向;設計了用數(shù)字化實驗解決問題的方案，簡述了用數(shù)字化實驗研究帕斯卡定律的過程，并對兩種實驗進行了比較，得出數(shù)字化實驗裝置簡單、操作方便、數(shù)據(jù)精確、實驗過程連續(xù)直觀的優(yōu)點，通過實例總結了將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢。

[關鍵詞]數(shù)字化實驗;傳統(tǒng)實驗;融入;帕斯卡定律

[中圖分類號] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻標識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）32-0047-03

為了提高傳統(tǒng)實驗的精確性，為了能夠適時連續(xù)測量，快速繪制數(shù)據(jù)間的圖像，在測量某個特殊點或是某個瞬時數(shù)據(jù)時，我們就需要將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗中。另外，當傳統(tǒng)實驗裝置太復雜，觀測誤差較大時，就需要將裝置簡化，有時需要將定性研究變?yōu)槎繙y量，甚至通過定量測量來繪制圖像說明物理量的變化遵循某種規(guī)律時，都應考慮將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗進行研究?，F(xiàn)以研究帕斯卡定律為例，說明何時應將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)實驗，以提升實驗教學效果。

一、傳統(tǒng)研究帕斯卡定律實驗的缺點分析

傳統(tǒng)實驗在研究密閉氣體壓強向各個方向的實驗時，是豎直固定3個注射器，使3個注射器的活塞處于同一高度，3個注射器的針管連接軟管與三通管相連，在3個注射器的某個拉桿上端加一個砝碼，另兩個注射器內的活塞立即上升，再在另兩個注射器的拉桿上端分別加質量相同的砝碼，3個注射器的活塞最終處于同一高度，從而得出結論。傳統(tǒng)實驗研究密閉液體壓強向各個方向傳遞的實驗是取一帶活塞的容器，在容器側壁不同高度處引出3根軟管，并將3根軟管豎直固定，在容器內盛滿水，用活塞壓縮容器內的水，3根軟管內的水面總是相平的，從而得出結論。這些實驗裝置復雜，受到摩擦力等因素的影響，實驗準確度不高，教學過程中教師費時又費力，結果教學效率還不高。

二、各類研究帕斯卡定律實驗的改進分析

傳統(tǒng)實驗在研究帕斯卡定律時，顯示壓強大小的方法是通過壓力平衡，當注射器的活塞在同一高度時，就表明注射器內部氣體的壓強相等。顯然，當不同注射器內部活塞與筒壁之間的摩擦力不同時，就會出現(xiàn)較大的誤差。還有一種顯示壓強的方法是通過軟管與容器中不同部位相連，根據(jù)軟管內液柱的高度相同，來反映軟管與容器內相連處的壓強相等，由于氣密性難以控制，也會出現(xiàn)誤差。為了準確顯示壓強，注射器或軟管要呈豎直狀態(tài)，給組裝帶來難度。改進的方向是使顯示壓強的裝置可以處于不豎直的位置，同時避免摩擦帶來的影響，使用壓力傳感器或氣壓傳感器就能避免上述問題。根據(jù)以上分析，若將數(shù)字化實驗融入該實驗，可對裝置進行簡化，同時在改變輸入值時，可即時得出測量值，并能及時顯示不同位置的壓強值。

三、數(shù)字化實驗的可行性

在探究液體傳遞壓強規(guī)律時，先讓兩個注射器吸入適量的水，用盛滿水的軟管與針管相連，組成密閉液體的容器，使用一個壓力傳感器給其中一個注射器的連桿施加壓力，從而使活塞給液體施加一個壓強，為了測出另一個活塞在平衡狀態(tài)時受到的壓強，可以用另一個壓力傳感器壓住另一個注射器活塞上的連桿。在兩個連桿上施壓時，要保證活塞緩慢移動。通過兩個數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳給電腦。打開電腦與操作界面，打開“記錄表格”窗口，設置變量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2，軟件自動記錄各個變量的大小，通過軟件制作出表格，就能直接比較兩個活塞上壓強的大小關系。

在探究氣體傳遞壓強規(guī)律時，可將四個氣壓傳感器的探頭密封在同一個注射器內的不同位置，用手壓注射器活塞上的連桿，并改變壓力的大小，從而使加在密閉氣體上的壓強隨之變化，而四個氣壓傳感器便把注射器內不同位置的氣壓大小傳遞給電腦，打開電腦，打開“組合圖線”窗口，點擊“添加”，設置X軸為時間，Y軸為壓強P1，繼續(xù)點擊“添加”，設置X軸為時間，Y軸分別為壓強P2、P3、P4。這時電腦軟件便能自動畫出四個氣壓傳感器傳來的氣壓隨時間變化的圖像。通過圖像的比較，可得出同一時刻四個傳感器傳來的氣壓值是否相等。

無論對液體，還是對氣體來說，在研究帕斯卡定律時，都可引入數(shù)字化實驗，可見用數(shù)字化實驗研究帕斯卡定律是可行的。

四、數(shù)字化實驗的設計應用

（一）用DIS系統(tǒng)研究加在密閉液體上的壓強的傳遞規(guī)律

1.實驗裝置

裝有軟件的電腦1臺、數(shù)據(jù)采集器1個、壓力傳感器2個、鐵架臺2個、橫桿1根、平板1塊、軟管1根、注射器2個、水、玻璃膠等。

2.實驗過程

（1）在兩個鐵架臺之間固定一塊平板及一根橫桿。先將一個注射器的活塞推到底端，排除注射器內的空氣，用注射器吸水，將軟管注滿水，注射器再吸入適量的水，將軟管的一端與注射器的針管相連。

（2）在左側橫桿上固定一個壓力傳感器，將拉鉤與注射器的拉桿上端相連，用玻璃膠將注射器豎直地固定在平板上。

（3）使第二個注射器吸入適量的水，針頭通過軟管（內部已吸滿水）相連。手持第二個注射器在平板上移動，使兩個注射器內的液面等高，用玻璃膠將第二個注射器也豎直固定在平板上，如圖1所示。

（4）將實驗裝置放于水平桌面上，連接好數(shù)據(jù)采集器、兩個傳感器，打開電腦與操作界面，打開“記錄表格”窗口，設置變量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2。并且設置S1=1.2，S2=1.34（根據(jù)注射器的容積與液體在注射器中的長度計算得到），調零，點擊“開始”，手持第二個壓力傳感器與右側注射器上方的拉桿接觸，緩慢按下壓力傳感器（壓力記作F1），軟件記錄其他各個變量，如圖2所示。

3.實驗結論

加在密閉液體上的壓強，能夠大小不變地被液體向各個方向傳遞。

（二）用DIS系統(tǒng)研究加在密閉氣體的壓強的傳遞規(guī)律

1.實驗裝置

裝有軟件的電腦1臺、數(shù)據(jù)采集器1個、氣壓傳感器4個、鐵架臺、固定夾1個、注射器、電烙鐵、玻璃膠等。

2.實驗過程

（1）在注射器側壁用電烙鐵燙三個小孔，取4個氣壓傳感器，將3個氣壓傳感器的連接軟管插入側壁的三個孔內，另一個氣壓傳感器的連接軟管插入注射器下方針管的小孔內，分別用玻璃膠密封好，將實驗裝置固定在鐵架臺上，將4個氣壓傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器相連，并接入電腦，如圖3所示。

（2）打開電腦，打開“組合圖線”窗口，點擊“添加”，設置X軸為時間，Y軸為壓強P1。

（3）再繼續(xù)點擊“添加”，設置X軸為時間，Y軸分別為壓強P2、P3、P4。

（4）調零，用手向下推注射器活塞，點擊“開始”，點擊“停止”，描繪出各處壓強隨時間變化的四個圖像（如圖4所示）。

3.實驗結論

加在密閉氣體上的壓強，能夠大小不變地被氣體向各個方向傳遞。

五、傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗的比較

從器材上看，用傳統(tǒng)實驗研究帕斯卡定律，要三個注射器和一個三通管組成密閉容器或者用一個帶活塞的容器，引出三根盛有同種液體的軟管。而用數(shù)字化實驗研究帕斯卡定律，最多只要兩個注射器，一根軟管。傳統(tǒng)實驗中的三個注射器或三根盛水的軟管必須呈豎直狀態(tài)，這樣固定裝置難度較大，而數(shù)字化實驗是用傳感器的，只要連接好即可。傳統(tǒng)實驗研究帕斯卡定律是通過改變加在注射器連桿上的鉤碼數(shù)來改變壓力，從而改變加在密閉容器上的壓強，這個改變范圍小，至多能得到三個輸入值，而用數(shù)字化實驗來研究帕斯卡定律可通過壓力傳感器來不斷地改變壓力大小，從而改變加在密閉液體上的壓強大小，改變范圍大，可以得到無限個輸入值，在改變加在密閉氣體上的壓強時，通過手對連桿及活塞施加壓強，改變范圍大，可以連續(xù)改變，這樣輸入值也是無限個。用傳統(tǒng)實驗研究帕斯卡定律在改變壓強時，由于活塞或水柱具有慣性，達到靜止狀態(tài)需要一段時間，壓強的大小是轉換成活塞或水柱的高度值來顯示的，而用數(shù)字化實驗研究帕斯卡定律，不存在慣性的問題，軟件即時顯示壓強的大小。用傳統(tǒng)實驗研究帕斯卡定律無法得出壓強變化的動態(tài)過程，更不能顯示壓強隨時間變化的圖像。

六、數(shù)字化實驗相比傳統(tǒng)實驗具有更多優(yōu)勢

用數(shù)字化實驗研究帕斯卡定律所用的器材減少了，組裝簡單了，能即時顯示兩個或四個壓強值;利用數(shù)字化實驗探究“帕斯卡定律”，具有省時、省力、即時、精確、操作簡便的優(yōu)點，它能實時采集實驗數(shù)據(jù)，可以用數(shù)字化表格顯示，也可以通過圖像直觀動態(tài)顯示，克服了傳統(tǒng)實驗定性研究的不足。同時兩種實驗都沒有涉及學生測量，而且兩種實驗在培養(yǎng)學生動手能力上差別不大，在學校條件許可的情況下，將數(shù)字化實驗融入傳統(tǒng)的研究帕斯卡定律實驗之中，能有效提升教學效果。

數(shù)字化實驗具有傳統(tǒng)實驗不具備的優(yōu)點，傳統(tǒng)實驗不易覺察的細節(jié)，都會在數(shù)字化實驗中反映出來。但采用數(shù)字化實驗，也有傳統(tǒng)實驗不存在的缺點，如對培養(yǎng)學生的動手能力、測量能力沒有傳統(tǒng)實驗好，同時數(shù)字化實驗儀器非常精確，裝置整體價格高，維護更加困難，對教師素養(yǎng)的要求更高，而且在進行數(shù)字化實驗之前，教師必須做好更加充分的準備。教師在教學中不能一味追求用數(shù)字化實驗進行教學，必須根據(jù)實際情況進行選擇，才能使教學效果最佳。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻 ? ]

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（責任編輯 易志毅）