基于DIS的物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展

黃俊華+陳帥+陳平

摘 要：目前DISLab多用于演示課本實(shí)驗(yàn)，較少進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。本文基于“惠斯通電橋平衡條件”“平衡剛體的支持力探究”和“輸液中的物理知識(shí)解析”三個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了DISLab在物理實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新應(yīng)用，拓展了物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化信息系統(tǒng)；中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）10-0028-7

1 研究背景

近年來(lái)，信息技術(shù)已滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，用“傳感器采集、計(jì)算機(jī)處理”數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)方式，不僅迫切而且有實(shí)施的可能。由上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心按照《課程標(biāo)準(zhǔn)》和教材要求研發(fā)設(shè)計(jì)的DISLab是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組合起來(lái)，共同完成對(duì)物理量測(cè)量的裝置，集物理測(cè)量、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]；該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有小型、簡(jiǎn)便、快捷等特點(diǎn)；該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助圖表、圖線等的具體分析，解決了數(shù)據(jù)分析和處理的難題。此外，該系統(tǒng)又填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)過程的空缺，具有很大的發(fā)展前景。DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身作為新生的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景，也是物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的首選。

DISLab是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程整合的重要載體?；趥鞲衅鞯挠?jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)建模和圖像分析等技術(shù)是DISLab兩大技術(shù)支撐，也是實(shí)驗(yàn)面向信息化，提升檔次的途徑之一[2]。筆者查閱文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)踐總結(jié)了其四大特點(diǎn)，即數(shù)據(jù)采集“智能化”、數(shù)據(jù)處理“智能化”、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)“重點(diǎn)化”和實(shí)驗(yàn)過程“可視化”[3]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

2.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)介紹

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“是在學(xué)習(xí)物理規(guī)律之后進(jìn)行的，其目的在于驗(yàn)證物理規(guī)律的正確性，鞏固和加深對(duì)物理規(guī)律的理解”。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程中，思維比較聚合，實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量可以直接從驗(yàn)證的結(jié)論中獲得，指向性比較清楚。因此，這類實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵在于物理量的測(cè)量，從測(cè)量數(shù)據(jù)的分析中驗(yàn)證結(jié)論，認(rèn)識(shí)物理規(guī)律。

在物理教學(xué)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、理解物理知識(shí)起到了重要的作用。但是，很多傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)存在不足，一些物理信號(hào)（如：聲音信號(hào)、電磁信號(hào)）是無(wú)法看到的，學(xué)生很難在頭腦中形成清晰的物理圖景。而DISLab能在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出各種信號(hào)，便于學(xué)生理解。

本文利用DISLab系統(tǒng)，為“惠斯通電橋平衡條件”實(shí)驗(yàn)提供了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)思路?；菟雇姌蛴址Q單臂電橋（如圖1），是一種用比較法測(cè)電阻的精密儀器。當(dāng)電路滿足電橋平衡條件，電橋達(dá)到平衡時(shí)，通過電橋的電流為零。利用惠斯通電橋的平衡條件能方便準(zhǔn)確地測(cè)量電阻，這是高中物理電學(xué)教學(xué)中一個(gè)很有用的知識(shí)點(diǎn)。然而，學(xué)生對(duì)電橋平衡的理解總停留在理論分析層面，缺乏感性體驗(yàn)。另外，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量精度不夠，也為本平衡條件的驗(yàn)證增添了障礙。

2.2 探索性實(shí)驗(yàn)介紹

探索性實(shí)驗(yàn)“是為探尋物理性質(zhì)及規(guī)律進(jìn)行的，以發(fā)現(xiàn)和解決問題為核心，其目的在于建立物理概念及規(guī)律，理解和掌握物理知識(shí)，并培養(yǎng)學(xué)生的能力和學(xué)習(xí)方法”。在探索性實(shí)驗(yàn)過程中，思維比較發(fā)散，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案都需要實(shí)驗(yàn)者自主進(jìn)行，突出自主性[4]。這類實(shí)驗(yàn)更加注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程。

探索性實(shí)驗(yàn)是新課改著重提出需要加強(qiáng)的一類實(shí)驗(yàn)，卻在中學(xué)物理課堂極少出現(xiàn)，許多教師認(rèn)為其探究過程復(fù)雜，浪費(fèi)課堂時(shí)間。由于DISLab的引入，能夠快速呈現(xiàn)物理過程，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，使得中學(xué)物理課堂可以更容易實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究。

在DISLab的基礎(chǔ)上，更多的實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化定量研究，即數(shù)字化應(yīng)用。

力矩平衡以其廣泛的實(shí)用性，在物理知識(shí)體系中占據(jù)很大的分量，力矩平衡條件的應(yīng)用在中學(xué)教學(xué)中也很重要。然而，學(xué)生理解處于力矩平衡的剛體時(shí)，多數(shù)只能從力的合成與分解入手，簡(jiǎn)單地理解為力的平衡，例如：二力平衡，三力平衡。而對(duì)力矩平衡的理解較難，對(duì)力矩平衡條件的理解，也停留在定態(tài)的思維中。同時(shí)，關(guān)于力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力會(huì)發(fā)生變化也是一個(gè)高中物理拓展教學(xué)的內(nèi)容。由于支持力的變化很難用測(cè)力計(jì)顯示，又因該知識(shí)點(diǎn)原本是一教學(xué)難點(diǎn)，因此，學(xué)生在理解上存在困難。

2.3 趣味性物理介紹

物理來(lái)源于生活又高于生活，它是一種從生活中抽象出來(lái)的理論，與生活息息相關(guān)。從生活中，我們可以找到許多物理知識(shí)[5]。從生活這一角度出發(fā)，增添了物理現(xiàn)象的趣味性，加深了對(duì)物理知識(shí)的理解及物理規(guī)律的掌握；物理知識(shí)存在于我們生活的方方面面，生活化的物理為其自身增添了普適性。

生活中的物理有其自身特點(diǎn)，即物理知識(shí)內(nèi)容大部分比較簡(jiǎn)單，但物理模型過于生活化，不易應(yīng)用。因此，抽象模型和測(cè)量數(shù)據(jù)成了這類實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)。采用物理模擬原理抽象模型之后，將DISLab用于數(shù)據(jù)測(cè)量，一方面解決了測(cè)量上的難題，同時(shí)提高了測(cè)量精度；另一方面由于容易獲得大量數(shù)據(jù)，通過對(duì)多組數(shù)據(jù)的分析處理，增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信程度。

生活知識(shí)是物理的基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理實(shí)驗(yàn)的來(lái)源。靜脈輸液是常見的醫(yī)療手段，與我們的生活息息相關(guān)。除卻專業(yè)的醫(yī)療知識(shí)外，其中也包含了很多物理知識(shí)，例如：大氣壓強(qiáng)的知識(shí)，液體壓強(qiáng)的物理原理以及為氣體的量化研究和化學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)的波意耳定律。

在高三物理習(xí)題中，也有這樣一個(gè)聯(lián)系生活的實(shí)際問題，即雙瓶連續(xù)輸液?jiǎn)栴}：思考輸液過程中兩瓶中的藥液如何變化，哪一瓶藥液先輸完？并說明理由。對(duì)此問題的傳統(tǒng)教法只停留在定性的理論分析上，學(xué)生理解時(shí)總存在一定困難。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)展示

3.1 物理規(guī)律，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：惠斯通電橋平衡條件

本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計(jì)思想[6]，通過測(cè)量電橋橋臂部分電壓和橋上電流，驗(yàn)證電橋平衡條件。實(shí)驗(yàn)在原有實(shí)驗(yàn)電路上稍加改動(dòng)，即將部分橋臂上的電阻以滑動(dòng)變阻器代替。從驗(yàn)證惠斯通平衡條件入手，幫助學(xué)生理解規(guī)律。

[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯

利用DISLab驗(yàn)證惠斯通電橋平衡條件，強(qiáng)化對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

[實(shí)驗(yàn)原理]

在圖2所示的電橋中，有電橋平衡條件，R1：R2=R3：R4，UCD=0，則C、D電勢(shì)相等（D為滑片），C、D間無(wú)電流通過。

[實(shí)驗(yàn)器材]

電壓傳感器2個(gè)，電流傳感器1個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，變阻箱2個(gè)（定值電阻10 Ω、15 Ω各1個(gè)），0～20 Ω滑動(dòng)變阻器，學(xué)生電源（電池組），開關(guān)，導(dǎo)線等。

[實(shí)驗(yàn)裝置]

如圖2所示，將兩個(gè)變阻箱與滑動(dòng)變阻器連成電橋，調(diào)節(jié)R1=10 Ω，R2=15 Ω；在C點(diǎn)與滑片D間接入電流傳感器，在電阻R1和電阻D、A兩端分別接入電壓傳感器測(cè)量UAC和UAD。

[實(shí)驗(yàn)過程]

（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，連接實(shí)物圖，如圖3。

（2）將電壓傳感器與電流傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，連接至計(jì)算機(jī)。

（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開實(shí)驗(yàn)設(shè)置，分別設(shè)置電壓和電流傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）傳感器調(diào)零，打開學(xué)生電源，將電壓調(diào)為6 V；閉合開關(guān)，點(diǎn)擊“開始”，傳感器開始采集數(shù)據(jù)。

（5）將滑動(dòng)變阻器滑片D自右向左緩慢移動(dòng)至左端，同時(shí)得到“電壓-時(shí)間”“電流-時(shí)間”圖線，停止程序運(yùn)行并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖線。

[數(shù)據(jù)分析]

（1）如圖4，滑片D在右端時(shí)，UAC=4.32 V，UAD=4.40 V，I=0.33 A；即UCD=0.08 V，因UC>UD，故橋上有電流0.33 A，且電流從C流向D。

（2）當(dāng)滑片D緩慢向左移動(dòng)時(shí)，UAC 和UAD均逐漸減小，而UC>UD，但兩者逐漸接近，即UCD逐漸變小，橋上電流隨之減小，且方向從C流向D。

（3）當(dāng)滑片D移動(dòng)至某一位置時(shí)，UAC=UAD=2.30 V，I=0.00 A。即UCD=0，此時(shí)電橋上電流為零，電橋平衡。

（4）當(dāng)滑片D再緩慢向左移動(dòng)時(shí)，UAC 和UAD 均逐漸減小，而UC

（5）當(dāng)滑片D在左端時(shí)，UAC=0.40 V，UAD=0.32 V，I=0.30 A；即UCD=-0.08 V，因UC

[理論推導(dǎo)]

當(dāng)UAC=UAD=2.30 V、I=0時(shí)，

由UAC+UCB=6.0 V，UAD+UDB=6.0 V，

得UCB=3.70 V，UDB=3.70 V。

又R1=UAC/IACB，R2=UCB/IACB，R3=UAD/IADB，R4=UDB/IADB，

得R1：R2=UAC：UCB，R3：R4=UAD：UDB，

得電橋電阻平衡條件，

即R1：R2=R3：R4。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)電橋平衡時(shí)，電橋兩端電勢(shì)相等，橋上電流I=0。即R1：R2=R3：R4為電橋平衡條件。

[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]

（1）體現(xiàn)“物理轉(zhuǎn)化原理”的設(shè)計(jì)思想——電橋狀態(tài)的改變，伴隨著電壓與電流的變化，通過對(duì)部分橋臂電壓和橋上電流的測(cè)量，分析電橋的狀態(tài)。

（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)創(chuàng)新——在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路基礎(chǔ)上，將部分橋臂以滑動(dòng)變阻器代替，實(shí)現(xiàn)電橋從不平衡到平衡之間的動(dòng)態(tài)過程。

（3）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新——電橋從不平衡到平衡之間的動(dòng)態(tài)變化過程，因DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示及測(cè)量。外加上簡(jiǎn)便的理論推導(dǎo)，使學(xué)生在感性體驗(yàn)與理性分析兩方面均有收獲。

3.2 物理教材，探索性實(shí)驗(yàn)：平衡剛體的支持力探究

本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理轉(zhuǎn)換原理”的設(shè)計(jì)思想[6]，當(dāng)剛體處于不同的力矩平衡狀態(tài)時(shí)，其支持力也會(huì)發(fā)生變化。現(xiàn)利用力傳感器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)定量顯示支持力的大小，探究力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力的變化，通過實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示，加深對(duì)力矩平衡條件的理解，填補(bǔ)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)空白。

[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯

探究剛體平衡時(shí)不同處所受支持力的變化，加深力矩平衡條件的理解。

[實(shí)驗(yàn)原理]

剛體平衡時(shí)，外力的合力矩為零，即ΣM=0。

[實(shí)驗(yàn)器材]

力傳感器3個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，方木塊，鐵架臺(tái)（鐵夾）金屬桿。

[實(shí)驗(yàn)裝置]

如圖5所示，在鐵架臺(tái)上用鐵夾將金屬桿固定在水平位置。將兩個(gè)力傳感器倒置在金屬桿上，測(cè)力鉤豎直向上并在同一水平位置。將長(zhǎng)方體木塊對(duì)稱地放在兩測(cè)力鉤上，木塊保持豎直，背面輕輕靠近鐵架臺(tái)桿但無(wú)擠壓。在木塊上方套一根細(xì)繩，方便力傳感器施加水平拉力。

[實(shí)驗(yàn)過程]

（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，組裝實(shí)驗(yàn)儀器。

（2）將力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計(jì)算機(jī)。

（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開實(shí)驗(yàn)設(shè)置，設(shè)置力傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）點(diǎn)擊“開始”，兩個(gè)力傳感器采集所受木塊的壓力值；仔細(xì)調(diào)節(jié)木塊的位置，使圖中左右兩力傳感器的壓力F1和F2的示數(shù)盡可能相等，完成后停止程序運(yùn)行。

（5）點(diǎn)擊“開始”，讓兩個(gè)力傳感器測(cè)定支持力約10 s，然后用第三個(gè)力傳感器測(cè)鉤鉤住木塊上的細(xì)繩，給木塊施加一水平向右的拉力F3；改變拉力的大小，觀察兩個(gè)力傳感器的示數(shù)變化，停止程序運(yùn)行，同時(shí)保存拉力、壓力-時(shí)間圖線。

[數(shù)據(jù)分析]

如圖6所示。

（1）F3=0，未施加水平拉力時(shí)，力傳感器測(cè)的壓力分別為F1=2.61 N，F(xiàn)2=2.69 N。

（2）F3增大，當(dāng)水平拉力逐漸增大時(shí)，左側(cè)力傳感器的示數(shù)F1逐漸減小，而右側(cè)力傳感器的示數(shù)F2逐漸增大，如圖7。且任一時(shí)刻兩個(gè)力傳感器壓力示數(shù)之和為定值，如圖7。

（3）實(shí)驗(yàn)過程中木塊始終處于力矩平衡狀態(tài)，即M=M。

其理論推導(dǎo)如下：如圖8，設(shè)右側(cè)力傳感器測(cè)力鉤與木塊接觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，兩個(gè)力傳感器測(cè)鉤間的距離為L(zhǎng)，右側(cè)細(xì)繩離木塊底部的高度為h，則有：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)于任一確定的水平拉力F3，在上述理論推導(dǎo)中，通過測(cè)量具體的h、L值，由（3）式可以求得F1、F2的對(duì)應(yīng)理論值。當(dāng)水平拉力變化時(shí)，剛體不同處所受彈力是變化的，變化過程則由實(shí)驗(yàn)圖線得以清晰地實(shí)時(shí)顯示，如圖6。

[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]

（1）轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測(cè)量的操作創(chuàng)新——本實(shí)驗(yàn)將剛體用兩個(gè)傳感器支撐，使得剛體所受支持力能被方便測(cè)量，從而達(dá)到探究剛體平衡條件下不同處所受支持力的目的。同時(shí)，將剛體所受外力（摩擦力、重力、桌面的支持力）的力矩關(guān)系，合理地轉(zhuǎn)換為剛體的重力和支持力（兩個(gè)）的力矩關(guān)系，因摩擦力力矩為零。

（2）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新——力傳感器的使用，可以及時(shí)測(cè)量得到兩支持力隨拉力發(fā)生變化，準(zhǔn)確地揭示不同處彈力的變化規(guī)律，結(jié)合理論推導(dǎo)，強(qiáng)化剛體平衡和力矩平衡的概念。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)為高中力矩平衡時(shí)剛體不同處支持力的變化的教學(xué)提供了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)支持。

（3）提供創(chuàng)新多元化的設(shè)計(jì)思路——在這一類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，對(duì)于處于力矩平衡的剛體，除了可以測(cè)量支持力，還可以測(cè)量拉力、摩擦力、電磁力等。該思路可運(yùn)用到其他實(shí)驗(yàn)中。

3.3 聯(lián)系生活，趣味性實(shí)驗(yàn)：輸液中的物理知識(shí)解析

本實(shí)驗(yàn)主要結(jié)合“物理模擬原理”的設(shè)計(jì)思想，合理模擬靜脈輸液，利用壓強(qiáng)傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量和動(dòng)態(tài)顯示瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)，從而認(rèn)識(shí)其中蘊(yùn)含的物理知識(shí)。

[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯

利用DISLab測(cè)量模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置中兩瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)，定量揭示輸液中的物理知識(shí)。

[實(shí)驗(yàn)原理]

當(dāng)溫度一定時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與氣體體積及氣體質(zhì)量有關(guān)，即PV=C（T恒定）。

[實(shí)驗(yàn)器材]

壓強(qiáng)傳感器2個(gè)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，自制模擬連續(xù)輸液裝置等。

[實(shí)驗(yàn)裝置]

本裝置可以分別模擬單瓶輸液與雙瓶連續(xù)輸液，如圖9所示。自制模擬雙瓶連續(xù)輸液裝置如圖10所示，由上下兩端均開一個(gè)圓孔的兩個(gè)塑料瓶組成，塑料瓶固定在鐵架臺(tái)上，右瓶為輸液主瓶，左瓶為輸液副瓶。瓶上端孔用橡皮塞塞緊，橡皮塞中的膠管與壓強(qiáng)傳感器相連；瓶下端孔也用橡皮塞塞緊。如圖9主瓶下端橡皮塞中插入一根醫(yī)用輸液管a（管中有觀察液滴的小窗口及控制輸液速度的小壓輪），其下端置于相當(dāng)于人體靜脈的燒杯中；兩橡皮塞中由一根膠管b將雙瓶藥液連通，副瓶下端孔橡皮塞中插一細(xì)管c（截面略小于b管），c開口向上與大氣相通。主、副瓶中裝入大半瓶的紅色水代表藥液。

[實(shí)驗(yàn)過程]

（1）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，組裝實(shí)驗(yàn)儀器。

（2）將兩個(gè)壓強(qiáng)傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后連接至計(jì)算機(jī)。

（3）啟動(dòng)DISLab，點(diǎn)擊“通用軟件”，打開實(shí)驗(yàn)設(shè)置，設(shè)置壓強(qiáng)傳感器的采樣頻率；選擇組合圖線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)依次顯示傳感器示數(shù)。

（4）模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)：

①將插在副瓶下端孔橡皮塞中的b管拔出、開口向上置于大氣中，由主瓶單獨(dú)模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)。

②將a管用小壓輪壓住，用夾子K夾住b管；在主瓶中裝入模擬藥液的紅色水，并將主瓶上端孔用連著膠管和壓強(qiáng)傳感器的橡皮塞塞緊。

③點(diǎn)擊“開始”，壓強(qiáng)傳感器測(cè)量輸液前瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)。

④旋松a管小壓輪，通過a管滴液小窗口觀察到主瓶藥液快速流出，同時(shí)記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方的氣體壓強(qiáng)。

⑤當(dāng)壓強(qiáng)變化到一定值時(shí)，輸液基本停止；松開b管夾子K，使進(jìn)氣管與大氣相通，通過a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時(shí)記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)的變化。

⑥一段時(shí)間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時(shí)間”圖線；見圖11。

（5）模擬雙瓶連續(xù)輸液實(shí)驗(yàn)：

①讓b管恢復(fù)連接主副兩瓶，c管開口向上置于大氣中，由主副兩瓶共同模擬雙瓶連續(xù)輸液實(shí)驗(yàn)。

②將a管用小壓輪壓住，用夾子K1、K2分別將副瓶下端孔橡皮塞中的b管和c管夾?。辉谥鞲逼恐醒b入模擬藥液的紅色水，并將主副瓶上端孔用連著膠管和壓強(qiáng)傳感器的橡皮塞塞緊。

③旋松a管小壓輪，通過a管滴液小窗口觀察主瓶藥液，開始較快流出后滴速變慢，最后輸液基本停止。

④點(diǎn)擊“開始”，壓強(qiáng)傳感器分別測(cè)得兩瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)；同時(shí)松開b管和c管的夾子K1、K2，通過a管滴液小窗口觀察主瓶輸液狀態(tài)，同時(shí)觀察主副瓶?jī)?nèi)液面的變化，并記錄瓶?jī)?nèi)藥液上方氣體壓強(qiáng)。

⑤一段時(shí)間后，停止數(shù)據(jù)采集，并保存“壓強(qiáng)-時(shí)間”圖線；見圖12。

[數(shù)據(jù)分析]

（1）模擬單瓶輸液實(shí)驗(yàn)，由圖11可知：

①模擬輸液前，主瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)P1=101.26 kPa；堵住進(jìn)氣口、旋松小壓輪后，由于瓶?jī)?nèi)藥液減少，使氣體體積變小，氣體壓強(qiáng)變?。灰欢螘r(shí)間后，系統(tǒng)平衡，藥液基本停止流出，此時(shí)氣體壓強(qiáng)P2=99.44 kPa；利用玻意耳定律可計(jì)算，氣體體積相對(duì)增加量約為1.83%。

②松開b管夾子K1后，b管與大氣相通，瓶外空氣迅速進(jìn)入瓶中，可觀察到大量氣泡從液體內(nèi)冒出；氣體溫度與體積幾乎不變時(shí)，因氣體質(zhì)量增大使壓強(qiáng)瞬間增大，藥液重新開始流出；此后以正常速度輸液時(shí)，氣體質(zhì)量不斷緩慢增加，液面緩慢下降，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定短時(shí)間內(nèi)氣體壓強(qiáng)保持在P3=100.08 kPa不變。

③P1=101.26 kPa，P3=100.08 kPa；P1與P3之差約為1.18 kPa，相當(dāng)于12.04 cm高水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，實(shí)測(cè)此時(shí)瓶?jī)?nèi)液面與進(jìn)氣管b處液面高度差約為12.0 cm。

（2）模擬雙瓶連續(xù)輸液實(shí)驗(yàn)，由圖12可知：

①b管被夾住時(shí)，壓強(qiáng)傳感器1所測(cè)主瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)為主瓶已停止輸液、體積增大時(shí)的壓強(qiáng)值P1=97.50 kPa；壓強(qiáng)傳感器2所測(cè)氣體壓強(qiáng)為副瓶未工作時(shí)氣體壓強(qiáng)值P2=101.05 kPa。

②同時(shí)松開b管和c管的夾子K1、K2，開始時(shí)副瓶氣體壓強(qiáng)大于主瓶，藥液從副瓶流入主瓶，主瓶?jī)?nèi)氣體體積變小、壓強(qiáng)變??；在外界空氣尚未經(jīng)c管進(jìn)入時(shí)，副瓶中氣體壓強(qiáng)變小，最小為99.60 kPa；之后外界空氣經(jīng)c管進(jìn)入副瓶，副瓶氣體壓強(qiáng)瞬間增大，而主瓶氣體則因體積繼續(xù)變小，壓強(qiáng)繼續(xù)變大。

③當(dāng)正常輸液時(shí)，主瓶?jī)?nèi)液面位置不變，氣體體積不變，壓強(qiáng)不變，氣體壓強(qiáng)為P1'=100.35 kPa；副瓶藥液流入主瓶，液面下降，外界空氣不斷進(jìn)入，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間內(nèi)，氣體壓強(qiáng)為P2'=100.25 kPa不變。

④P1'=100.35 kPa，P2'=100.25 kPa；P1'與P2'之差約為0.10 kPa，相當(dāng)于1.02 cm高水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，實(shí)測(cè)此時(shí)副瓶?jī)?nèi)液面比主瓶?jī)?nèi)液面低約1.0 cm左右。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]

（1）單瓶輸液時(shí)，進(jìn)氣管作用十分重要，藥液輸入人體靜脈時(shí)，瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)因體積增大而減小；由于外界空氣通過進(jìn)氣管及時(shí)進(jìn)入，使瓶?jī)?nèi)氣體質(zhì)量增加，因而氣體壓強(qiáng)能在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)保持基本不變，從而使輸液正常進(jìn)行。

（2）雙瓶連續(xù)輸液時(shí)，主瓶輸出的藥液由副瓶補(bǔ)充，主瓶?jī)?nèi)液面位置不變，氣體體積與壓強(qiáng)均保持不變；副瓶中藥液不斷流向主瓶，外界空氣經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入副瓶，在一定時(shí)間內(nèi)，氣體質(zhì)量增加而保持壓強(qiáng)不變；在整個(gè)輸液過程中，待副瓶?jī)?nèi)的藥液全部輸完后主瓶才開始輸液。雙瓶連續(xù)輸液的優(yōu)點(diǎn)在于能自動(dòng)補(bǔ)充藥液，減輕醫(yī)務(wù)人員的工作量，提高輸液效率。

[實(shí)驗(yàn)小結(jié)]

（1）體現(xiàn)“物理模擬原理”的設(shè)計(jì)思想——通過自制模擬連續(xù)輸液裝置，一方面鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和操作能力，另一方面突顯模型在物理學(xué)習(xí)中的重要地位，而模型化也是物理學(xué)習(xí)的思想之一。

（2）選取氣體壓強(qiáng)作為研究——在輸液過程中，藥液上方氣體壓強(qiáng)值的變化，能夠間接反映裝置的輸液狀態(tài)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察，也對(duì)學(xué)生從實(shí)例中認(rèn)識(shí)玻意耳定律，有一個(gè)更直觀的感受。

（3）結(jié)合DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新——首次用DISLab結(jié)合自制模擬連續(xù)輸液裝置，通過單瓶與雙瓶?jī)纱文M輸液實(shí)驗(yàn)，借助于壓強(qiáng)傳感器精確測(cè)定輸液過程中藥液上方氣體壓強(qiáng)值的變化規(guī)律，解決了長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)難點(diǎn)，取得理想的實(shí)驗(yàn)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于DIS的物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，作為數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合，其本身就是一種創(chuàng)新。馮容士先生指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)承載著創(chuàng)新性教育的重任，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新予以歸納，上升到理論和技法的高度，反過來(lái)再用以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，其本質(zhì)是學(xué)生思維品質(zhì)的提升和科研素養(yǎng)的積累。而這正是培養(yǎng)創(chuàng)造型人才的必需[7]”。這正是其主要特點(diǎn)，即對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)以及創(chuàng)新思維的激發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室V6.0用戶手冊(cè)[Z].上海：上海市小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心，2007，1.

[2]張公政.傳感器實(shí)驗(yàn)與高中生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[D].武漢：華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3]朱目強(qiáng).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)概述[Z].人民教育出版社課程教材研究所“新課程在線”，2008.

[4]陳靈，彭成紅.加強(qiáng)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（8）：202.

[5]曹志芬.生活中的物理知識(shí)——論初中物理教學(xué)[J].新課程·中學(xué)，2015（6）：66—67.

[6]李松嶺，李明雪.物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的六大設(shè)計(jì)原理[J].物理與工程，2007，17（06）：19—21.

[7]張溶菁.中學(xué)物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究——DIS校本課程開發(fā)與實(shí)踐[M].上海：上海教育出版社，2009.