利用DISLab改進自感現(xiàn)象實驗的案例分析

王程

【摘要】DISLab運用于中學物理實驗教學具有很多優(yōu)勢，本文通過對利用DISLab改進自感現(xiàn)象實驗的案例研究，對實驗的效果及教學過程中應(yīng)該注意的問題進行適當?shù)姆治?、說明。

【關(guān)鍵詞】DISLab? 物理實驗? 自感現(xiàn)象

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）36-0142-02

一、引言

物理新課程改革中為了避免由于測量手段、工具、環(huán)境和使用者本身素質(zhì)產(chǎn)生的誤差，引進了DIS實驗系統(tǒng)。它是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組合在一起，共同對一些物理量進行測量的裝置，名為DIS實驗，是Digital Information system三個英文單詞的縮寫，是“數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室”的簡稱，它是一種可以實時采集測量數(shù)據(jù)的智能化輔助系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機系統(tǒng)及相關(guān)軟件構(gòu)成。

DISLab運用于中學物理實驗教學具有很多優(yōu)勢，本文通過對利用DISLab改進自感現(xiàn)象實驗的案例研究，可以使我們更加清楚地認識到DISLab在中學物理實驗教學中的地位，也能使我們以后更好地使用DISLab進行物理實驗教學。

二、DISLab的特點

DISLab系統(tǒng)可以成功克服傳統(tǒng)物理實驗儀器的很多問題，有力地促進了計算機技術(shù)與傳統(tǒng)物理實驗教學的全面整合。相對與傳統(tǒng)實驗儀器它有以下特點：一是實時。實驗數(shù)據(jù)測量記錄與實驗操作過程同步，可以同步采集和即時處理測量數(shù)據(jù)，并且能同時測量記錄多個不同種類的物理量。二是準確。利用數(shù)據(jù)采集器可以直接采集所測量的物理量，對傳感器不方便測量的物理量還可以通過人工輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。時間精度能夠達到0.1ms，其它實驗數(shù)據(jù)可以精確到0.4%，能夠完全符合中學物理對測量結(jié)果精準度的要求。三是直觀。DISLab能夠在計算機軟件上按照數(shù)字、指針、波形圖三種方式動態(tài)實時地展現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。操作者可以采用合適的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，任意察看某一瞬間、某一段時間或整個實驗過程的測量數(shù)據(jù)。四是高效。DISLab不僅可以準確即時采集測量結(jié)果，還能利用相關(guān)軟件高效的對測量結(jié)果進行分析和處理，如多種擬合（直線擬合、二次多項式擬合、三次多項式擬合）或求異等。

三、利用DISLab改進自感現(xiàn)象實驗的案例分析

在自感現(xiàn)象實驗中，我們以往只能通過小燈泡發(fā)光強弱的變化情況來觀察電路中的自感現(xiàn)象，學生無法直觀的體會到小燈泡兩端的電壓是如何隨時間變化的。電路斷電時，盡管學生能夠觀察到小燈泡的閃亮，但是此時燈泡兩端的電壓方向怎樣變化卻無法看到，而利用DISLab 則可以方便地解決以上問題。

1.自感現(xiàn)象傳統(tǒng)實驗的局限性

自感現(xiàn)象的本質(zhì)是一種比較抽象的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，中學生對自感現(xiàn)象缺少感性認識，為此，教師一般先利用演示實驗來展示自感現(xiàn)象，然后再講解自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和特征，所以教師要想上好這節(jié)課，必須通過演示實驗的現(xiàn)象，分析好自感現(xiàn)象的產(chǎn)生原理和特征，物理課本通過圖1所示的電路來演示通電時的自感現(xiàn)象，通過圖2所示的電路來演示斷電時的自感現(xiàn)象。

圖1中，在閉合開關(guān)的瞬間，由于小燈泡A2與滑動變阻器R串聯(lián)的支路是純電阻電路，所以A2會立即正常發(fā)光;而由于小燈泡A1與線圈L串聯(lián)在一個支路中，線圈L中的電流逐漸增大時，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象便會產(chǎn)生自感電動勢，阻礙線圈L電流的變化，所以通過小燈泡A1的電流的變化需要一個短暫的過程，小燈泡A1相對于小燈泡A2會“滯后發(fā)光”，但其實“滯后發(fā)光”的過程非常短暫，實驗現(xiàn)象可能不是很明顯。

在圖2中，當開關(guān)S突然斷開時，電路中已經(jīng)沒有了外電源，但因為通過線圈的電流減小，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢來阻止線圈中的電流的減小，這時線圈L與小燈泡A剛好組成了一個閉合回路，小燈泡A會“延續(xù)發(fā)光”，如果線圈中的原電流大于小燈泡A中的電流，這時小燈泡還會閃亮一下，在斷電電路的自感實驗過程中，由于沒有對比實驗，同學們可能無法觀察到小燈泡A“延續(xù)發(fā)光”這一實驗現(xiàn)象;此外同學們也無法觀察到在這一過程中通過小燈泡A的電流方向發(fā)生了改變。

2.利用DISLab的演示實驗

為了使實驗現(xiàn)象更加直觀、全面，教師可以利用DIS實驗系統(tǒng)改進傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象實驗，利用電流（電壓）傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行采集、處理，并能夠?qū)嶒灛F(xiàn)象直觀的以圖像的方式在計算機中呈現(xiàn)出來進行分析。圖1中，在小燈泡A1兩端安裝一個電壓傳感器，在電路通電的瞬間，同時利用數(shù)據(jù)采集器收集小燈泡A兩端的電壓大小，通過“示波”方式，在窗口中呈現(xiàn)υ—t圖像，如圖3所示，可以清晰直觀地看到，小燈泡A兩端的電壓在慢慢增大，說明通過小燈泡A1和線圈的電流是逐漸增大的，而且通過圖像可以看到，小燈泡A1兩端在閉合電路0.3秒后才有電壓產(chǎn)生。

圖2中，同樣將電壓傳感器接在小燈泡A的兩端，在斷開開關(guān)S的同時，啟動數(shù)據(jù)采集器采集小燈泡A兩端電壓數(shù)據(jù)，然后通過“示波”方式，在計算機中呈現(xiàn)υ-t圖像，如圖4所示，通過圖像可以觀察到，斷開開關(guān)S之后小燈泡A兩端的電壓方向先發(fā)生了改變，然后電壓再逐漸減小，說明通過小燈泡A的電流在斷開開關(guān)S時電流方向先發(fā)生了改變，然后電流再逐漸減小，此外，在斷開電路瞬間，小燈泡A兩端的感應(yīng)電壓比原來電壓更大。通過實驗圖像可以看到，斷開開關(guān)S瞬間小燈泡A兩端的感應(yīng)電壓約為斷開開關(guān)S前電壓的4倍，所以在這一瞬間小燈泡A的亮度會明顯變強一下。

通過利用DISLab改進自感現(xiàn)象的實驗案例可以發(fā)現(xiàn)，利用DISLab不僅可以輔助傳統(tǒng)的實驗器材進行原有的實驗， 還能有效改進傳統(tǒng)實驗的一些不足之處。利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能，將電阻支路、電感支路的電壓、電流隨時間的變化情況通過圖像的形式形象直觀的展示出來，增強實驗現(xiàn)象的直觀性。斷開電路時，線圈和電阻組成的回路中由于電磁感應(yīng)有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，但是此時流過小燈泡的電流方向與通電時相反。通過υ—t圖像同學們可以直觀的觀察到中小燈泡兩端電壓方向及大小的變化情況，與傳統(tǒng)實驗中小燈泡的瞬間閃亮現(xiàn)象相比更容易，讓學生對斷電自感現(xiàn)象原理的認識更深刻。

我們不難發(fā)現(xiàn)使用DISLab 系統(tǒng)輔助自感現(xiàn)象的實驗，將原本定性分析的實驗改進為直觀的定量觀察，還增加了實驗現(xiàn)象的直觀性。除此這外，DISLab系統(tǒng)在實驗數(shù)據(jù)采集、實驗數(shù)據(jù)處理上還有很多傳統(tǒng)實驗測量器材沒有的優(yōu)勢?？傊?，合理的利用DIS實驗系統(tǒng)可以為我們的中學物理實驗教學提供更多的便利，幫助我們更加高效的開展課堂教學工作。

通過DISLab改進自感現(xiàn)象實驗的案例分析，我們不難發(fā)現(xiàn)應(yīng)用DISLab系統(tǒng)進行中學物理實驗的優(yōu)越性是顯而易見的，除了本文介紹的實驗案例外，DISLab在還可以應(yīng)用于很多中學物理實驗，通過DIS系統(tǒng)可以輔助我們完成大多數(shù)的力、熱、電、光、以及原子物理實驗。DIS實驗系統(tǒng)不僅可以輔助傳統(tǒng)實驗裝置進行實驗，還制作了“向心力實驗演示器”“平拋運動實驗器”“干涉、衍射、偏振實驗器”等很多創(chuàng)新實驗工具，解決了一大批傳統(tǒng)實驗難題。在輔助傳統(tǒng)實驗的同時不斷改進傳統(tǒng)實驗，利用現(xiàn)代化計算機技術(shù)輔助并改進傳統(tǒng)實驗方式和教學手段，正是DIS實驗系統(tǒng)的作用所在。

DISLab系統(tǒng)簡化了傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的采集過程并且利用用DISLab輔助實驗，操作簡單、直觀、高效、準確，讓我們感覺到了現(xiàn)代化信息技術(shù)帶來的便捷，同時采用DISLab進行實驗的結(jié)果直觀。DIS實驗系統(tǒng)不僅為學生創(chuàng)新性實驗提供了更好的環(huán)境，也為對改進傳統(tǒng)物理實驗感興趣的老師提供了進一步研究和創(chuàng)新的契機。

參考文獻：

[1]物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書（物理必修1）.北京：人民教育出版社，2004：61-62頁.

[2]廖伯琴.物理探究式教學設(shè)計與案例分析[M].北京：高等教育出版社，2003：13-14.

[3]管侯瓏.基于DISLab的中學物理實驗有效教學研究[D].福建師范大學，2015：21-22.