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    數(shù)字化實驗系統(tǒng)在物理實驗中的應(yīng)用

    2016-03-16 13:04:37潘炳鋒
    讀寫算·教研版 2016年5期

    潘炳鋒

    摘 要:數(shù)字化實驗系統(tǒng)是利用傳感器將實驗中獲得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,通過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上,利用數(shù)據(jù)分析軟件,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,獲得實驗圖像和數(shù)據(jù)表格,以此來探究或驗證科學(xué)規(guī)律。

    關(guān)鍵詞:數(shù)字化實驗系統(tǒng);勻變速直線運動的速度-圖象關(guān)系;探究牛頓第三定律

    中圖分類號:G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1002-7661(2016)05-117-02

    計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給我們的中學(xué)實驗教學(xué)帶來了全新的變化。在以往的實驗教學(xué)中,我們常常帶領(lǐng)學(xué)生動手實驗,學(xué)生要操作實驗儀器,并及時記錄實驗數(shù)據(jù),實驗完成后,還要整理數(shù)據(jù)表格,通過描點法繪出相應(yīng)的圖像,這些過程費時費力,工作量相當(dāng)大。

    數(shù)字化實驗系統(tǒng)就是將傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合,構(gòu)成的全新的現(xiàn)代化實驗教學(xué)體系。這種實驗系統(tǒng)是依托傳感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù),在實驗中利用傳感器測量、采集接收各種實驗數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)實時輸入計算機(jī)進(jìn)行處理和分析,最終在電腦顯示器上輸出實驗數(shù)據(jù)和圖像,最終達(dá)到能快速準(zhǔn)確的總結(jié)出實驗結(jié)論的目的。

    一、數(shù)字化實驗系統(tǒng)有以下幾部分組成:

    1、傳感器:直接用于采集實驗數(shù)據(jù)。

    2、數(shù)據(jù)采集器:連接傳感器與電腦,將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。

    3、數(shù)據(jù)分析軟件:用于實驗的設(shè)計,數(shù)據(jù)記入、保存、分析、處理。

    4、配套實驗器材:用于搭建實驗平臺,配合傳感器更好的完成實驗。

    二、數(shù)字化實驗系統(tǒng)的連接方法:

    硬件連接:將配套實驗器材搭建好,根據(jù)實驗需求把傳感器安置在實驗器材上;將傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接;將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接。

    軟件設(shè)置:雙擊桌面的DIS數(shù)據(jù)分析軟件,點擊通用軟件,進(jìn)入軟件界面,根據(jù)實驗需求進(jìn)行軟件界面的設(shè)置。筆者經(jīng)系統(tǒng)培訓(xùn)和學(xué)習(xí),將如下三個實驗進(jìn)行實踐操作,現(xiàn)總結(jié)如下:

    三、探究勻變速直線運動的速度與時間關(guān)系

    實驗?zāi)康模禾骄縿蜃兯僦本€運動中速度隨時間的變化規(guī)律

    實驗器材:微型調(diào)節(jié)支架組件、多功能導(dǎo)軌、寬L型支架、動力學(xué)小車、光電門、緩沖器、滑輪架組件、鉤碼、細(xì)線、緊固件、采集器和計算機(jī)等。

    實驗裝置如右圖:

    實驗步驟如下:

    1、將實驗裝置如圖搭建,將光電門傳感器如圖固定在導(dǎo)軌上。

    2、用網(wǎng)線將位移傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接;用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接。

    3、雙擊實驗軟件,單擊教材通用軟件,點擊新建實驗,進(jìn)入實驗界面;

    4、點擊“光電門設(shè)置”按鈕,對光電門進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置好后再選擇實驗類型:直線運動;測量方式:獨立測量;被測物理量:速度;擋光片類型:滑輪;其他選擇默認(rèn)后點擊“完成”;點擊增加線按鈕,添加速度-時間圖線;

    5、在速度-時間圖像上設(shè)置合適的采集時間(1分鐘)和采集間隔(0.1秒)后點擊開始按鈕,釋放小車,點擊開始按鈕,采集數(shù)據(jù)的同時繪出圖線;

    6、實驗結(jié)束后點擊結(jié)束按鈕結(jié)束實驗。

    實驗結(jié)果與分析:

    做勻變速直線運動的物體,其速度隨時間變化的關(guān)系符合一次函數(shù)的關(guān)系,與速度公式 的描述是一致的。其中, 表示初速度; 表示末速度; 表示加速度。

    四、探究牛頓第三定律

    實驗?zāi)康模禾骄孔饔昧εc反作用力的關(guān)系

    實驗器材:計算機(jī),數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)線,USB線,作用力與反作用力的關(guān)系實驗器,2個力傳感器等。

    實驗原理:根據(jù)牛三定律,作用力與反作用力大小相等,方向相反,且作用在同一直線上。此實驗器將2個力傳感器固定在一條直線上,形成作用力與反作用力的關(guān)系。

    實驗裝置如右圖:

    實驗步驟如下:

    1、將實驗裝置如圖搭建,將2個力傳感器如圖固定;

    2、用網(wǎng)線將2個力傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接;用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接;

    3、雙擊實驗軟件,單擊教材通用軟件,點擊新建實驗,進(jìn)入實驗界面;

    4、點擊“公式編輯”,可以看到F1、F2分別代表力傳感器示數(shù),在變量名中輸入F3,名稱輸入力,單位選擇N,類型選擇公式,輸入-F2,點擊增加;

    5、點擊快速實驗,勾選F1,F(xiàn)3,建立“F1、F3-t”坐標(biāo)關(guān)系,點擊傳感器校準(zhǔn)按鈕,對力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn);

    6、點擊“開始”按鈕,同時將滑板支架上的力傳感器拉或是推,直至實驗數(shù)據(jù)采集完成后,點擊“停止”按鈕。

    實驗結(jié)果與分析:作用力和反作用力大小相等,方向相反,作用在同一條直線上,但不在同一物體上。

    五、探究浮力的大小與排開液體重力的關(guān)系

    實驗?zāi)康模禾骄扛×Φ拇笮∨c排開液體重力的關(guān)系

    實驗器材:計算機(jī),數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)線,力傳感器、浮力定律實驗器實驗配套裝置等。

    實驗原理:浸在液體里的物體受到豎直向上的浮力,浮力大小等于被物體排開的液體所受重力。

    實驗裝置如右圖:

    實驗步驟如下:

    1、將實驗裝置如圖搭建,將力傳感器如圖固定;

    2、用網(wǎng)線將力傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接;用USB線將數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)連接;

    3、雙擊實驗軟件,單擊教材通用軟件,點擊新建實驗,進(jìn)入實驗界面,對力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),掛上重物,記錄固定在鐵架臺上力傳感器的示數(shù)(例如3N);

    4、點擊“公式編輯”,增加變量h、單位cm,表示水沒過重物的高度;編輯公式V=3.14×(0.025)2×0.01×h(圓柱體的直徑:5cm),表示排開水的體積;編輯公式F=3-F1,表示重物受到水的浮力大小;編輯公式G=1000×V×9.8,表示重物排出液體的重量,編輯好后點擊“增加”;

    5、點擊“增加線”按鈕,y軸設(shè)置為“浮力,排出液體的重力”,x軸設(shè)置為時間;調(diào)節(jié)升降臺,使配重塊逐步浸入水中,手動輸入h,點擊“手動采集”,記錄數(shù)據(jù);

    6、實驗結(jié)束后,生成實驗數(shù)據(jù)表格,比較浸在液體中的物體受到的浮力和被物體排開的液體的重力;

    實驗結(jié)果與分析:

    從左邊表格可以發(fā)現(xiàn):浮力與排開水的重力基本相等;右側(cè)圖像:浮力與排開水的重力圖線基本重合。這樣,誤差允許范圍內(nèi),對浸入液體內(nèi)的物體,受到液體的浮力等于該物體排開水的重力。

    總之,采用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后,實驗過程大大簡化,實驗時間大幅縮短,優(yōu)點是不言而喻的,總結(jié)有以下幾點:

    1、采用各種精準(zhǔn)的傳感器,使采集到的數(shù)據(jù)更加精確。

    2、由于采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和軟件技術(shù),處理數(shù)據(jù)更加快速正確,并能根據(jù)需要,及時輸出數(shù)據(jù)和圖像,還能對圖像進(jìn)行自由調(diào)節(jié)和進(jìn)一步處理,這樣可以節(jié)約實驗時間,大大提高了課堂效率。

    3、可以自由改變圖像的顯示方式。例如,在探究牛三定律時,我們只要編輯軟件中的公式,在編輯公式中增加F3這一變量,并將該變量設(shè)為F3=-F2,原來F2實驗圖像就會翻轉(zhuǎn)180度,與F1圖像對比后,使學(xué)生形象生動的觀察到兩個力大小相等,方向相反,充分體現(xiàn)了軟件的強(qiáng)大功能。

    4、數(shù)據(jù)實現(xiàn)了無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享?,F(xiàn)在隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展,傳感器的類型更多,功能更強(qiáng):從有線傳輸變成了無線傳輸;數(shù)據(jù)采集器還集成了顯示功能,預(yù)裝了數(shù)據(jù)分析和處理軟件Logger Pro3,使學(xué)生帶著傳感器和數(shù)據(jù)采集器就能完成了實驗,甚至還能將實驗數(shù)據(jù)和圖像通過WiFi傳給蘋果手機(jī)用戶,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和傳輸,不得不感嘆現(xiàn)代科技之發(fā)達(dá)和高超。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,計算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,在我們的實驗教學(xué)中如果能引進(jìn)先進(jìn)的儀器和技術(shù),無疑能極大的提高我們的實驗效果和課堂效率。

    當(dāng)然,事物都有兩面性,科技是一把雙刃劍,先進(jìn)的科技在帶給我們方便的同時,也有幾個問題值得我們思考和探討:

    1、采用數(shù)字化實驗系統(tǒng)做實驗,我們得先了解各種硬件的特點和連接方法,同時還要學(xué)習(xí)數(shù)字化實驗系統(tǒng)軟件的操作方法和使用技巧,這是要化時間進(jìn)行培訓(xùn)和學(xué)習(xí)的,對于學(xué)生來說,要求更高,化費的時間可能也更長。

    我們物理新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“過程和方法”,注重學(xué)生設(shè)計實驗、采集數(shù)據(jù)等多方面的能力培養(yǎng),而數(shù)字化實驗系統(tǒng)將數(shù)據(jù)的采集、記錄和描繪等一系列步驟全都有計算機(jī)代替完成了,學(xué)生這些方面的能力可能得不到培養(yǎng)和發(fā)展。

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