實驗手段“數(shù)字化” 實驗過程“可視化”

摘" 要：本文將數(shù)字化系統(tǒng)與物理實驗相結(jié)合，借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)圖形編程計算機軟件LabVIEW與便攜性數(shù)據(jù)采集設(shè)備NI myDAQ，清晰地展示電容充放電過程中電流、電壓和電量隨時間變化的曲線關(guān)系，解決了高中電容充放電實驗過程難以觀察與記錄實驗現(xiàn)象，實驗演示成功率較小的問題，同時增加了實驗過程的圖像表征，實現(xiàn)了“宏觀—微觀—符號—曲線”的教學(xué)模式，將實驗由簡單的現(xiàn)象推結(jié)論轉(zhuǎn)化為對深層次物理原理的探索。

關(guān)鍵詞：電容充放電；暫態(tài)過程；虛擬儀器；LabVIEW

1" 引言

物理實驗只有不斷創(chuàng)新才能發(fā)揮出巨大的價值，《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）列出21個學(xué)生必做實驗，并在活動建議中提到使用傳感器完成部分實驗。在教學(xué)中開發(fā)數(shù)字化實驗，開展數(shù)字化實驗教學(xué)是對國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略的響應(yīng)。［1］

2" 數(shù)字化實驗與物理實驗相結(jié)合的研究意義

《課程標準》強調(diào)要把信息技術(shù)與物理實驗相結(jié)合，將數(shù)字化實驗應(yīng)用于電容充放電實驗的教學(xué)中的這一舉措深化了《課程標準》的要求，具有以下研究意義：①解決了高中電容充放電的實驗演示難以觀察與記錄、成功率較小的問題，加深了學(xué)生對這些瞬態(tài)變化中包含的物理概念和規(guī)律的理解；②《課程標準》對電容充放電實驗的實驗一般要求學(xué)生能夠理解和掌握物理量隨時間變化的圖像，并說出每段圖像中對應(yīng)的狀態(tài)。應(yīng)用數(shù)字化實驗?zāi)軠蚀_得到圖像，利于學(xué)生圖像認知能力的發(fā)展；③將數(shù)字化實驗融入電容充放電實驗過程教學(xué)，加強了實驗教學(xué)與現(xiàn)代社會以及科技發(fā)展的聯(lián)系，可以提高學(xué)生學(xué)習的興趣。［2］

3" 電容充放電數(shù)字化實驗平臺的構(gòu)建

本研究應(yīng)用的虛擬儀器是NI myDAQ，其具有極高的采樣率，能使短暫發(fā)生的物理現(xiàn)象更加直觀明顯，因此非常適合用在瞬間測量量產(chǎn)生變化的場合。它能獲取大量動態(tài)的信息，是研究瞬態(tài)過程的有力工具。

筆者開發(fā)的電容充放電實驗的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，平臺采用圖形編程計算機軟件LabVIEW與便攜性數(shù)據(jù)采集設(shè)備NI myDAQ搭建。LabVIEW的編程數(shù)據(jù)并不是基于虛擬計算的結(jié)果，而是通過USB接口連接NI myDAQ進行真實的信號采集獲得。LabVIEW在其虛擬面板上提供了大量可視化儀表，方便學(xué)生進行個性化的數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)顯示和圖像處理。NI myDAQ能夠用于虛擬儀器與實驗儀器的交互，方便學(xué)生進行數(shù)據(jù)采集，控制實驗儀器設(shè)備和各種執(zhí)行器。

電容充放電實驗通常選用電流表顯示電路中的電流變化，由于電容充放電時間太短，實際上學(xué)生僅能看到電流表指針晃動，但是較難辨認電流方向。

圖2為平臺的整體裝置圖，下面將介紹該平臺的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及性能測試方法。

圖3為電容充放電的實驗的原理圖，開關(guān)撥到“A”擋時，電源通過電阻向電容充電；將開關(guān)撥向“B”檔，電容通過電阻放電。學(xué)生可使用NI myDAQ采集電容兩端的電流和電壓，在LabVIEW中描畫出的充放電過程中電容兩端電流以及電壓隨時間的變化關(guān)系，從而進行可視化處理和個性化顯示。

為了更好地演示電容器的充電放電過程，筆者制作了多參數(shù)電容充電放電的電路板，電路如圖4所示，實物如圖5所示，用來對比不同參數(shù)的電阻和電容的充放電過程。

多參數(shù)電容充放電演示實物圖

4" 數(shù)字化實驗在電容充放電實驗教學(xué)中的應(yīng)用

4.1" 探究充放電過程中電壓及電流的變化

本實驗硬件平臺的充放電LED指示燈既可以演示傳統(tǒng)實驗中燈泡閃亮以及慢慢變暗的現(xiàn)象［3］，又實現(xiàn)了對電壓值以及電流值的采集和可視化。圖6展示了實驗結(jié)果，圖6（a）表示電壓u隨時間t的變化趨勢，圖6（b）表示電流i隨時間t的變化趨勢。

（a）

（b）

充放電過程的u-t和i-t圖線

該平臺還能顯示兩極板上積累/釋放的電荷量，也有利于學(xué)生理解電容器“充放電”的概念。該實驗通過對電流電壓的可視化，可以讓學(xué)生對電流充放電過程中“緩慢變化”和“突變”等描述文字有更深入理解。［4］該平臺還能幫助學(xué)生理解電容具有充放電的本領(lǐng)：在充放電過程中，電壓并不是突變的，而是有一個非線性變化的瞬態(tài)過程，該瞬態(tài)過程中有電流流過，并且電流是突變的，而且充電和放電過程電流是反向的；充電穩(wěn)定后，電路相當于斷路，電路中也就沒有了電流，可見電容有“隔直流”的特性。還可以看出，充電電荷量等于放電電荷量，充了多少電后面就放多少電。

4.2" 探究帶電量和電勢差的關(guān)系（電容概念的建立）

因為電容是用比值定義法定義的物理量，所以學(xué)生不容易理解這個抽象概念。傳統(tǒng)教學(xué)用容器類比顯得有些牽強，通過利用NI myDAQ獲得電荷量與電勢差的關(guān)系，從而得到電容的概念，可以將抽象的概念具象化，并且具有說服力。

以下是電源電壓分別是1.5V、3V、4.5V以及6V時獲得的充電電量與電勢差的變化關(guān)系，如圖7所示。

從結(jié)果可得，電勢差隨著帶電量的增大而增大，它們之間的比值是一個定值，我們把這個比值定義為電容。這個物理量是電容器本身的性質(zhì)，不隨著帶電量及電壓改變而改變。

4.3" 探究電容及電阻的參數(shù)對于充放電時間的影響

數(shù)字化實驗?zāi)軌驅(qū)崟r記錄實驗過程的數(shù)據(jù)，并且以圖像的方式展示。學(xué)生可以自主進行探究，借助數(shù)字化實驗，主動發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)知識，面對復(fù)雜困難的情境學(xué)會自主思辨，在這一過程中提高創(chuàng)新實踐能力，更好地掌握物理概念，突破學(xué)科教學(xué)難點。［5］

本平臺可以設(shè)置不同參數(shù)的電容、電阻，學(xué)生可以借此探究電容大小及電阻的大小對于充放電時間的影響。表1為利用控制變量法進行的幾組實驗的實驗數(shù)據(jù)。

當固定C＝470μF時，充放電時間和電阻的關(guān)系圖如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)充電時間比放電時間短，而且電阻越大，充電時間和放電時間的差距就越大，并且充電時間和放電時間長短和電阻大小成正相關(guān)。

當固定電阻R＝4.7kΩ時，充放電時間和電容的關(guān)系圖如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)充電時間比放電時間短，而且電容越大，充電時間和放電時間的差值越大，并且充電時間和放電時間長短和電容大小類似成正相關(guān)。

5" 結(jié)語

數(shù)字化實驗不僅能輔助教學(xué)，通過可視化的物理過程和數(shù)形結(jié)合的方式定量呈現(xiàn)物理規(guī)律，有助于學(xué)生學(xué)習能力和實踐能力的提升，真正落實實驗探究的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻

［1］李進.初中物理實驗創(chuàng)新的數(shù)字化策略與案例［J］.中學(xué)物理，2024，42（10）：18-21．

［2］傅密.教育數(shù)字化賦能物理實驗教學(xué)的內(nèi)涵意蘊、現(xiàn)實障礙及實踐進路［J］.中學(xué)物理，2024，42（5）：13-18．

［3］時子豪，張石友.基于提升科學(xué)探究能力的高中物理實驗教學(xué)——以“觀察電容器的充放電現(xiàn)象”實驗教學(xué)為例［J］.實驗教學(xué)與儀器，2023，40（9）：5-7．

［4］張瑜，陳耀龍，黃藝雯.探究電容器電容的自制教具［J］.實驗教學(xué)與儀器，2023，40（1）：70-73．

［5］付國富，吳衛(wèi)鋒.數(shù)字化賦能初中物理實驗的應(yīng)用與思考［J］.物理教學(xué)，2023，45（12）：25-28，32．