基于信息化平臺(tái)下創(chuàng)新型物理實(shí)驗(yàn)的開展

阮燕騏

（開封廣播電視大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 開封 475000）

基于信息化平臺(tái)下創(chuàng)新型物理實(shí)驗(yàn)的開展

阮燕騏

（開封廣播電視大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 開封 475000）

如何有效激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)其在物理實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新性和科學(xué)探究能力，充分體現(xiàn)出物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念，是當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一個(gè)亟待解決的難題.本文針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課，研究并探索了基于信息化平臺(tái)下創(chuàng)新型物理實(shí)驗(yàn)的開展并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)嘗試(以基于信息化平臺(tái)下，鋰電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的研究為實(shí)例)，希望借此能夠有效激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，并使我們?cè)谔岣邔W(xué)生科學(xué)探究能力方面獲得一些有益的模式及方法.

信息化平臺(tái)；創(chuàng)新性；物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告

我們知道要在物理實(shí)驗(yàn)課中更有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力、科學(xué)探究能力并提高其動(dòng)手和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，就要求我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的開放性和綜合性方面進(jìn)行研究拓展.那么要達(dá)到這樣的目的勢(shì)必會(huì)讓學(xué)生花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，這與在學(xué)校教學(xué)計(jì)劃中課程安排里分配給物理實(shí)驗(yàn)的有限學(xué)時(shí)是相矛盾的，因此這在很大程度上又會(huì)限制了創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)的有效開展.如何解決這一矛盾，我們可以嘗試將信息化平臺(tái)與創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用信息化平臺(tái)的不可比擬的優(yōu)越性來有效提高實(shí)驗(yàn)的效率，縮短實(shí)驗(yàn)周期，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性教育功能，促進(jìn)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才的培養(yǎng).通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中引入信息化綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌蛻?yīng)用，讓它與我們老的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相匹配，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究，在實(shí)驗(yàn)方法上找到一個(gè)與我們傳統(tǒng)方法的契合點(diǎn)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，盡最大程度的抑制其劣勢(shì)（如過多過濫盲目使用反而會(huì)削弱學(xué)生的動(dòng)手能力）.這里再應(yīng)引入一個(gè)名詞：DIS實(shí)驗(yàn)室即數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information System laboratory).它是由“各種傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實(shí)驗(yàn)軟件包（教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件）＋PC機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).那么就國(guó)內(nèi)影響度、使用范圍來講當(dāng)推由上海和山東聯(lián)合開發(fā)的朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information System laboratory，簡(jiǎn)稱DISLab)其組成和特點(diǎn)如下：朗威DISLab設(shè)計(jì)新穎，種類齊全，操作簡(jiǎn)便，既可以用來做各種物理定性實(shí)驗(yàn)，又可以用來做各種物理定量實(shí)驗(yàn).其使用也是貼近人性化，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和易操作性，只須將DISLab的各類傳感器（針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)情況來選擇）通過數(shù)據(jù)采集器（具有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)兼容性）與計(jì)算機(jī)聯(lián)接后，安裝相應(yīng)配套軟件并適當(dāng)設(shè)置軟件的相關(guān)參數(shù)之后運(yùn)行軟件就可開始采集實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)既可以用軟件自帶的一些函數(shù)來進(jìn)行處理也可以以Excel表格的形式導(dǎo)出，軟件繪制的圖線可以方便的存為圖片文件.當(dāng)然對(duì)于一些更為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理我們還可以采用Origin軟件，它是由美國(guó)Microcal公司推出的基于windows操作平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件，它具有更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，只要輸入相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，然后再選擇相應(yīng)的菜單命令，點(diǎn)擊相應(yīng)的工具按鈕即可.

它是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的針對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的高新技術(shù).其基本思路是，先通過相應(yīng)傳感器測(cè)量所需物理量，將其遞給數(shù)據(jù)采集器；再經(jīng)由數(shù)據(jù)采集器把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳遞給PC機(jī)；最后通過PC機(jī)安裝的各種數(shù)據(jù)分析處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、通過圖表、曲線甚至二維和三維繪圖模板等各種方式給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，并可根據(jù)實(shí)際教學(xué)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析與處理.

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1

在圖1所示的電路中，U為R兩端的電壓，設(shè)閉合電路電流為I，由歐姆定律得：

①，將(1/R)作為自變量1/U作為因變量，建立直角坐標(biāo)系，則(1/R)為橫坐標(biāo)，1/U為縱坐標(biāo)，可做出該式所代表的直線（由解析幾何可知）那么即得到該直線的斜率k和截距b則由①式可算出鋰電的電動(dòng)勢(shì)E及內(nèi)電阻r.

2 涉及器材

主流Pc機(jī)并預(yù)裝有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室軟件一臺(tái)，DIS數(shù)據(jù)采集器，電壓傳感器若干，常用鋰電池(3.6v)l粒，QJ 23型直流單電橋1臺(tái)，單刀單擲開關(guān)1只，導(dǎo)線若干.

3 基于信息化平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)步驟

（1）先將DIS數(shù)據(jù)采集器正確裝配于PC機(jī)相關(guān)接口，（方法參見計(jì)算機(jī)外部設(shè)備連接法），按照?qǐng)Dl所示連接電路，將電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器.

（2）將P C機(jī)開機(jī)檢測(cè)以上安裝是否到位并打開數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室軟件，將單刀單執(zhí)開關(guān)斷開并將傳感器歸零位.

（3）調(diào)整單電橋首先按器材要求正確接入連線，檢查無(wú)誤后將單電橋調(diào)整平衡，注意不要將線接錯(cuò).

（4）在軟件界面中點(diǎn)擊“計(jì)算”，再點(diǎn)擊“變量”輸入變量名稱R，(R為單電橋輸出阻值).

（5）通過分別調(diào)整單電橋R的輸出阻值，經(jīng)傳感器測(cè)量得相應(yīng)電壓值U；本實(shí)驗(yàn)采集8組數(shù)據(jù).見下表：

R M(1/U) N(1/R) 13.45200.28990.050023.43190.28150.052633.4218.30.29240.054643.417.10.29410.058553.38160.29590.062563.3715.30.29670.065473.36140.29760.071483.3512.20.29850.0820U

（6）在軟件中增加變量M、N點(diǎn)擊“公式”，分別輸入自由表達(dá)式，作M-N圖.

（7）軟件中選擇曲線猜想與線性擬合選項(xiàng)對(duì)M-N圖進(jìn)行擬合，便得一斜線，并解析得斜率k和截距b（斜線截圖略）.

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)論

依據(jù)已獲得的斜率k和截距b易得直線方程：

Y=0.0142857X+0.2857，

比對(duì)前文推導(dǎo)①式1/U=(r/E)×(1/R)+1/E，知斜率（k）為r/E，截距（b）為1/E；故得，E=1/b=1/0.2857=3.5V，（即電動(dòng)勢(shì)為3.5伏）r=k/b=0.0142857/0.2857=0.05Ω（即內(nèi)阻為0.05歐）.

5 須知

（1）為保證實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)選用新或較新鋰電池.

（2）為不更多損傷鋰電池實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)采取瞬間通電讀數(shù)的方式.

（3）因鋰電池本身內(nèi)阻極小，應(yīng)注意該電路在的阻值過小時(shí)短路的風(fēng)險(xiǎn)，否則會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備和鋰電池本身，因此控制單電橋時(shí)不應(yīng)使其阻值小于8Ω.

6 拓展研究

我們還可以利用信息化平臺(tái)（朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室）繼續(xù)加深該實(shí)驗(yàn)的難度，以下簡(jiǎn)要介紹對(duì)鋰電池特性的更深一步探究，研究其電動(dòng)勢(shì)的逐步減小內(nèi)阻的變化情況.

我們可以將電路略微改造，如在電路中串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)容量的空電容器，通過控制開關(guān)的閉合頻率和時(shí)間來達(dá)到放電的目的.據(jù)此，我們利用同一節(jié)鋰電池進(jìn)行適當(dāng)放電，在該過程中分別測(cè)量出不同時(shí)期的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的30組數(shù)據(jù)（略）.在D I S軟件計(jì)算表格中新建兩個(gè)變量，分別為E和r（即鋰電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻），將測(cè)得的30組顯示在表格中，選擇曲線猜想與線性擬合選項(xiàng)得一直角坐標(biāo)系下曲線圖（注:此時(shí)r為橫軸E為豎軸），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在鋰電池放電（使用）過程中，電池電動(dòng)勢(shì)會(huì)緩慢減少，內(nèi)電阻則略微增大，大致相似于對(duì)數(shù)擬合，擬合曲線方程略（圖略）.

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)然以上實(shí)驗(yàn)是選擇的較常用的一種鋰電池，而鋰電池是當(dāng)代各種電氣設(shè)備的標(biāo)配能源，其優(yōu)點(diǎn)是電容量大，內(nèi)阻小，使用時(shí)間長(zhǎng)，較好的放電平穩(wěn)性、可多次充放電等；而為了不同的使用要求，同時(shí)不同廠家的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不同其規(guī)格也是多種多樣的，質(zhì)量也是有優(yōu)有劣，這就勢(shì)必造成了其不同的參數(shù)和特性，但其宏觀特性應(yīng)該是差別不大的，這也是由局部看全貌的道理.該實(shí)驗(yàn)中由于電池對(duì)不同的溫度的敏感性，他有一個(gè)正常工作的溫度范圍限制（一般情況下為60℃—-20℃），在該范圍內(nèi)它都能正常工作，但是隨著溫度的變化，它的放電特征會(huì)有所變化，如電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、及使用時(shí)間都會(huì)不同，這也是造成同一個(gè)電池在不同的溫度下實(shí)驗(yàn)會(huì)得到略有差異的結(jié)果的原因.另外，由于傳感器的本身特性，比方說溫度、濕度、和其他一些因素（如質(zhì)量原因）等也是造成微小誤差的原因.但無(wú)論如何這些誤差總體會(huì)控制在一個(gè)較小的范圍（同傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比）.該實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，它是一個(gè)傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但在此賦予它了新的基于信息化平臺(tái)下的研究方法，其目的也是拋磚引玉的作用.通過基于信息化平臺(tái)下的D I S法來測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，其優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，首先其精度是高度準(zhǔn)確的，而后大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度，并提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，和友好的軟件圖形界面；通過軟件曲線猜想與線性擬合功能，使我們直觀的看到了數(shù)據(jù)的內(nèi)在特性——本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的線性特征，借助于電子計(jì)算機(jī)（即pc機(jī)）高度靈活、強(qiáng)大、快捷的運(yùn)算處理能力使我們對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)更加深了一步，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)更加直觀，進(jìn)一步可知該方法在應(yīng)用于更加復(fù)雜、需要大量冗雜數(shù)據(jù)處理的高難度實(shí)驗(yàn)中將發(fā)揮革命性的作用，這里我們看到了信息化平臺(tái)在物理實(shí)驗(yàn)中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，大大提高了物理實(shí)驗(yàn)效率，也縮短了單個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于學(xué)生創(chuàng)新性物理能力的培養(yǎng)和發(fā)展.這也是我通過該實(shí)驗(yàn)想表達(dá)的初衷——希望對(duì)信息化平臺(tái)引入到物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域起到拋磚引玉的作用，從而能得到更加深入廣泛的發(fā)展，以培養(yǎng)出大批高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，為我國(guó)教育事業(yè)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn).

〔1〕楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)(電磁學(xué)部分)[M].北京：高等教育出版社，2002.

〔2〕李松嶺，李明雪.物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的六大設(shè)計(jì)原N[J].物理與工程.2007，17(6).

〔3〕上海市中小學(xué)數(shù)字化信息系統(tǒng)研發(fā)中心，山東省遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限責(zé)任公司.朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室V5.0用戶手冊(cè)[M].2005(9).

〔4〕徐銳.DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理教學(xué)中的作用[J].現(xiàn)代教育技術(shù).2008，18(6).

〔5〕劉景世.開展設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].中國(guó)成人教育，2005（12）.

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1673-260X（2010）08-0009-02