傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

王成武 李豐利

摘要：測(cè)量小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)的速度，是初中物理的探究實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備制作、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集都給學(xué)生帶來(lái)很大的不便。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則可以很好地避免這些問(wèn)題，凸顯這種實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相互融合，各取所長(zhǎng)，應(yīng)該是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)方向。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) ?數(shù)字化實(shí)驗(yàn) ?斜面 ?小車(chē)運(yùn)動(dòng) ?平均速度

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

測(cè)量小車(chē)在斜面上滑動(dòng)的平均速度實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)中考的熱點(diǎn)，在多地中考出現(xiàn)過(guò)。該實(shí)驗(yàn)的原理是v=s/t。測(cè)出物體運(yùn)動(dòng)的路程s，測(cè)出通過(guò)這段路程所用時(shí)間t，就可以計(jì)算這段路程的平均速度。該實(shí)驗(yàn)所需器材有刻度尺、機(jī)械停表、斜面、小車(chē)、金屬片等。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）把小車(chē)放在斜面頂端，金屬片放在斜面底端;

（2）用刻度尺測(cè)出小車(chē)到金屬片的距離s1，并記錄在表格中;

（3）用停表測(cè)出小車(chē)從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時(shí)間t1，并記錄在表格中;

（4）將金屬片移至斜面的中點(diǎn)處，用刻度尺測(cè)出小車(chē)到金屬片的距離s2，用停表測(cè)出小車(chē)從斜面頂端滑下到撞擊金屬片的時(shí)間t2，并記錄在表格中。

其中，斜面的作用是使小車(chē)獲得下滑的動(dòng)力，金屬片的作用是確保小車(chē)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)始終在同一位置，更為準(zhǔn)確地測(cè)量路程和時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

（1）在測(cè)量時(shí)間時(shí)，要做到在小車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，小車(chē)撞擊金屬片的同時(shí)停止計(jì)時(shí)。

（2）斜面要長(zhǎng)一些而且要保持較小的坡度，使小車(chē)在下滑時(shí)速度較慢、時(shí)間較長(zhǎng)，以便更準(zhǔn)確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，減小誤差。

分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

計(jì)算不同階段的平均速度V，比較不同階段的平均速度大小。

實(shí)驗(yàn)反思：

以上為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方案。筆者曾試圖動(dòng)手做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“問(wèn)題”很多。如：①難以選擇合適的長(zhǎng)的斜面。筆者實(shí)驗(yàn)時(shí)斜面的坡度大概為10°，斜面長(zhǎng)1 m，小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)間非常短，只有2.4 s。這樣短的時(shí)間，讓時(shí)間的計(jì)量誤差也比較大。②教具制作不易。實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有配測(cè)量小車(chē)運(yùn)動(dòng)平均速度的教具，所以老師要演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)，必須自己制作。這個(gè)很不容易，而且讓物體滑下時(shí)，盡量要求做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由此可知，如果用傳統(tǒng)的方法把這個(gè)實(shí)驗(yàn)完整地做出來(lái)，是非常耗費(fèi)精力的，且誤差比較大。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

下面，筆者就利用威尼爾數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，把這個(gè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)稱(chēng)DIS（Digital Information System），是實(shí)驗(yàn)者借助于各類(lèi)傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等自動(dòng)實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)，并以多種形式呈現(xiàn)的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

研究小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)速度的變化和斜面的傾斜程度（通過(guò)墊木板的方法改變傾斜程度對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的影響）。

實(shí)驗(yàn)原理：

根據(jù)平均速度公式v=s/t，結(jié)合小車(chē)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與距離，計(jì)算前半程、后半程和全程的平均速度。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：

（1）組裝。

（1）把軌道放置在水平桌面上，一端調(diào)高。

（2）把運(yùn)動(dòng)傳感器放在調(diào)高的一端，固定好;在終點(diǎn)安裝擋板，避免小車(chē)最終脫離軌道。

（3）將數(shù)據(jù)采集器接口與計(jì)算機(jī)相連，接通電源。

（4）將運(yùn)動(dòng)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的接口。

（5）打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置采樣頻率為20 Hz，采樣時(shí)間為5 s。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）把小車(chē)放到導(dǎo)軌的高端119厘米刻度線(xiàn)處。

（2）打開(kāi)威尼爾專(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理軟件Logger Pro，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，記錄數(shù)據(jù)。

（3）釋放小車(chē)使其沿著導(dǎo)軌滑下，利用運(yùn)動(dòng)傳感器記錄它的位置和時(shí)刻，并呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上。

（4）將數(shù)據(jù)輸出為csv格式。

（5）在軌道高端處的下面墊一塊木板，重復(fù)步驟（1）（2）（3）（4）。

（6）在軌道高端處的下面再墊一塊同樣的木板，重復(fù)步驟（1）（2）（3）（4）。

（7）關(guān)閉Logger Pro，拔掉數(shù)據(jù)線(xiàn)，整理好實(shí)驗(yàn)器材。

實(shí)驗(yàn)分析：

表格中的數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，為了減少誤差，選取的是小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。本文選取0.3 m為起始位置，0.9 m為終點(diǎn)位置，分別計(jì)算三組實(shí)驗(yàn)中的v前半程，v后半程，v全程的大小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

（1）v前半程<v全程<v后半程。

（2）同一斜面的同一段距離，斜面傾角越大，平均速度越大。

誤差分析：

（1）傳感器自身的計(jì)量誤差;

（2）截取數(shù)據(jù)的誤差;

（3）平均速度計(jì)算的誤差。

三、對(duì)比

通過(guò)對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)平均速度的測(cè)量，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，我們可知數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有以下特點(diǎn)：

（1）利用專(zhuān)門(mén)的器具，非常方便地完成實(shí)驗(yàn)。教師無(wú)須花多少時(shí)間和精力準(zhǔn)備整個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以精心準(zhǔn)備教學(xué)流程和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。教師的職業(yè)特點(diǎn)決定教師的工作重心應(yīng)該是教書(shū)育人而不是制作精巧的教具。教師整個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中所花費(fèi)的時(shí)間和精力成本非常小，而教學(xué)效益卻非常大。

（2）測(cè)量精度比較高，誤差小，定量地獲得具有更可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。誠(chéng)然，如果器具齊全，利用傳統(tǒng)的刻度尺、秒表也可以完成任務(wù)，但是測(cè)量的精度特別是這種動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度，與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)無(wú)法相比。因此，物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)字化設(shè)備的使用，可以定量地研究問(wèn)題，獲得結(jié)論也更加可靠。

（3）利用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以準(zhǔn)確、直觀、便利地得出結(jié)論。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，一般用紙筆運(yùn)算，運(yùn)算量大，容易出錯(cuò);而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有與設(shè)備配套的數(shù)據(jù)處理軟件，可以快速地對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，并且可以圖像的形式直觀地呈現(xiàn)，還可以方便地導(dǎo)出。因此，數(shù)字化系統(tǒng)的使用，給師生的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了極大方便，同時(shí)更準(zhǔn)確、直觀。

（4）易于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)深入和拓展，研究新的內(nèi)容。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以更容易地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的深入和拓展。如本實(shí)驗(yàn)中探究了在斜面傾角不同的情況下，小車(chē)在斜面上的運(yùn)動(dòng)情況。筆者用數(shù)字化設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，前后只用了5分鐘的時(shí)間，非常容易。當(dāng)然，還可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行拓展，如可以把軌道放在水平的桌面上，在其上放置兩只小車(chē)，把運(yùn)動(dòng)傳感器固定在其中的一只小車(chē)上;然后讓兩只小車(chē)一個(gè)運(yùn)動(dòng)一個(gè)靜止或都運(yùn)動(dòng)起來(lái)（可以同向、反向），通過(guò)傳感器可以實(shí)時(shí)記錄兩只小車(chē)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。這比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段定性地得出結(jié)論更加簡(jiǎn)易。

責(zé)任編輯：黃大燦