高中物理教学论文 数字化实验技术在物理实验中的应用（通用） 16页

数字化实验技术在物理实验中的应用 ‎ 所谓数字化实验技术，是以数字化设备为实验数据采集处理的工具、配套其它实验器材构建的现代化实验技术。数字化数据采集处理系统，由传感器、数据采集器和计算机组成。‎ 以数字化实验技术为基础的物理实验，就是建立在上述实验仪器、实验技术、实验方法基础上的物理学实验。‎ 数字化实验，是课程标准教科书的要求和需要，也是新高考和中考的要求和需要。也是物理学科发展的要求和需要。‎ 实验是学习和研究物理学的最基本的内容、方法和手段。实验，包括学生实验和演示实验以及小实验等，要把传统实验和数字化实验结合起来。只有实验，才能学到真知识；只有实验，才能培养真人才；只有实验，才能真正提高教学质量。‎ 数字化实验，是计算机辅助实验。课程标准教科书专门安排了一些电子计算机辅助实验，如：借助传感器用计算机测速度（教科书《物理》必修1 P25）、用传感器观察电容器的充电和放电（选修3-1 P31）等等。电子计算机，是现代化的标志和体现，学生通过用计算机做实验，不仅学了物理学，也学了计算机，可谓一举两得。‎ 数字化实验，是新实验，不仅是新仪器，也是新方法。例如霍尔元件、斯密特触发器等实验。一些教师开始接触，不太了解，不太熟悉，往往有把数字化实验室闲置或充当门面。通过做实验，他们熟悉实验、熟悉仪器，并可能在应用的过程中有所创新，使数字化实验室充分发挥作用，以物尽其用。‎ ‎1. 数字化实验：传感器的应用实验 课程标准教科书《物理》不仅把传感器作为单独的一章知识内容，而且把传感器的应用实验（选修3-2 P70）作为学生实验和演示实验，新的高考大纲中也把“传感器的应用”‎ 实验作为高考内容。传感器在现代生活和工业、科技中也有广泛的应用，学生在实验中接触和了解传感器，对他们的高考和将来从事科学研究及工农业生产也不无帮助。‎ 实验1. 传感器的应用实验——光控开关 图2是型号HEF40106B触发器的引脚示意图，由图可以看出，在同一块集成片上分别做了6块独立的施密特触发器，如果使用第1块，只需要在接输入电压，在接输出电压，然后分别把到稳压电源，接地，就可以工作了。‎ 实验原理：‎ 图 3‎ 将电路按图3连接，为光敏电阻，，为电阻箱，为发光二极管，A点为施密特触发器的输入端，Y点为施密特触发器的输出端。适当选择，的阻值后，当外界光线很强时，上的电阻相对比较小，A点的电压小于，Y点输出高电位，发光二极管两端的电势差很小，因此不能发光，当外界光线变弱时，上的电阻显著增大， A点的电压也显著增大，当增大到时，Y点输出低电位，发光二极管两端有大约5V的电势差，发光二极管开始正常发光，如果光线强度又进一步开始回升，上的电阻减小，A点的电压也开始减小，当A点的电压小于时，Y点又输出高电位，发光二极管熄灭。‎ 为了更直观地了解整个电路工作过程，在分别用两个电压传感器对A点和Y点的电压进行实时测量，光强传感器测量，显示外界光线变化对电路的影响。‎ 实验目的：‎ 了解简单光控电路，对自动控制有初步理解。‎ 实验装置：‎ 计算机，数据采集器，光强传感器，两个电压传感器，两个电阻箱，施密特触发器，发光二极管，导线若干，学生直流电源。‎ 实验步骤：‎ ‎1．先按电路图连接各个器件，并注意发光二极管的极性，和施密特触发器的引脚，具体情况可以参照前面的示意图，将接到稳压电源的正极，接到稳压电源的负极，接输入电压对应电路中A点，接输出电压对应电路中Y点。‎ ‎2．调节，电阻箱的阻值，选择合适的电阻，将两个电压传感器与数据采集器的1，2通道连接，把光强传感器连接到3或4通道，然后将数据采集器与计算机连接，开启采集器电源，进入实验专用界面。‎ ‎3．把两个电压传感器的两个信号输入端的分别导线短接，对电压传感器进行较零，然后把连接1通道电压传感器的信号正极接到电路中A点，同时把它的负极接到稳压电源的负极，也就是电路中的地，然后把2通道电压传感器的信号正极接到电路中Y点，同时把它的负极接到稳压电源的负极。‎ ‎4．把光敏电阻的感应面朝上，将光强传感器与光敏电阻放置在一起，在采集间隔和采集数量窗口输入合适的数值，点击开始按钮。‎ ‎5．用一块大的挡光物将光敏电阻附近的光线慢慢挡住，观察实验数据曲线，同时注意二极管的发光情况，当它开始发光以后，再慢慢把挡光物撤掉，结束实验。‎ 实验数据记录与分析：‎ ‎1．输出电压与输入电压曲线 ‎2．外界光强与输出电压数据关系 本次实验中，，从图上可以看出当光强为时，发光二极管发光，而当光强为时，发光二极管熄灭。‎ ‎2. 数字化实验：探究性实验 课程标准教科书不仅把原教科书的一些验证性实验改为探究性实验，而且新安排了一些探究性实验。这些探究性实验，用数字化实验仪器和方法去做，更为便捷。例如探究加速度与力、质量的关系（必修1‎ ‎ P75）、探究功与物体速度变化的关系（必修2 P17）等实验。通过探究性实验，提高学生研究、探究的能力，为培养创新能力打好基础。‎ 实验2. 探究（恒力做）功与物体速度变化的关系（动能定理）‎ 6. 当“开始”按钮的颜色变“灰”时，释放小车；‎ 7. 当小车运动到靠近支撑杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮；‎ 8. 观察“力—位移”、“速度—位移”和“动能—位移”关系曲线的特点；‎ 9. 任选一个位移区间，对力进行积分，并比较积分值和两个区间端点处动能的差；‎ 10. 改变钩码和小车的质量，重复步骤6~10（第2次：小车‎402.81g，钩码‎30.35g）。‎ 实验数据的记录与分析 a) ‎“力、速度 vs. 位移”图表（小车‎402.81g，钩码‎19.91g）：‎ 由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后两组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，但是动能的变化率几乎恒定。‎ b) 力做的功与动能的变化（小车‎402.81g，钩码‎19.91g）：‎ 如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为0.0630 J，两个区间端点处动能的差为0.0594 J（= 0.0832－0.0238），力做的功略大于动能的变化，二者近似相等，相对误差为5.71 %。‎ ‎3．“力、速度 vs. 位移”图表（小车‎402.81g，钩码‎30.35g）：‎ 由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后4组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，动能的变化率几乎恒定。‎ 4． 力做的功与动能的变化（小车‎402.81g，钩码‎30.35g）：‎ 如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为0.0911 J，两个区间端点处动能的差为0.0870 J（= 0.1269－0.0399），力做的功略大于动能的变化，二者近似相等，相对误差为4.50 %。‎ 误差分析 1． 滑轮与力传感器挂钩之间存在摩擦力，使得力传感器测得的读数大于小车拉力的二倍；‎ 2． 随着速度的增加，小车受到的（滚动）摩擦力略有增加；‎ 3． 拉力做功的一部分转化为两个滑轮的转动能。‎ 关键点 1． 抵消摩擦力。‎ 注意事项 1． 采集间隔取默认值5ms，如果使用更大的采集间隔，那么当小车的运动速度很快时，位移的测量有可能出错；使用5ms作为采集间隔时，钩码与小车的质量比必须小于3/10。‎ 3. 数字化实验：应用传感器做实验，‎ 有些传统实验，用数字化方法即用传感器和计算机去做，也比传统的方法更方便，数据处理更快、更准确，图象更清晰、更迅速。‎ 例如可以用位移传感器或光电门代替打点计时器做探究小车速度随时间变化的规律（必修1 P34）等实验。用电流传感器和电压传感器代替电流表和电压表，做测定小灯泡的伏安特性曲线 （选修3-1 P48）、测定电池的电动势和内电阻 （选修3-1 P72）等实验。除“传感器的应用”实验外，还有许多用传感器作为实验仪器的实验，例如用传感器和计算机描绘简谐运动的图象（选修3-4P5）等等，我们统计有十几个。可以说：几乎所有的实验都可以用数字化方法做。‎ 实验3. 测定电池的电动势和内电阻 测定电池的电动势和内电阻 背景资料：‎ 通常的金属导体都是以金属键结合的晶体，处于晶格结点上的原子很容易失去外层的价电子，而成为正离子。脱离原子核束缚的价电子可以在整个金属中自由运动，称为自由电子，在不受外电场作用时，自由电子只做热运动，没有宏观的电量迁移，因而金属中各个部分都呈现电中性。当金属中存在静电场时，金属中的自由电子在外电场的作用下，相对于晶格离子作定向运动，电子运动中必然与晶格相碰撞，达到某种平衡后，金属中电子有一个整体上的平均速度，导体中有稳定的电流，前面的分析都建立在导体中的静电场是相对比较稳定的前提上。‎ 如果将一个已经充好电的电容器的两个极板用导线连接起来，构成闭合回路，电路中就有电流通过，不过随着极板上带电量的减少，它们之间的电势差也在减少，电流很快就消失了。在电池的两个正极和负极上，分别带有正电荷和负电荷，当接入电路回路后，导线中的电子在电极电荷产生的静电场中开始运动，形成电流，如果两极上的电荷量得不到补充，那就不可能形成稳定的电流输出，电源的作用，不管是化学的电池，还是像范德格拉夫起电机之类的电源，都是将电荷从负电极搬运到正电极，这种搬运工作只能靠某种非静电力来完成，假设非静电力在搬运过程中做功，那就是电源电动势，为载流子的电荷量。‎ 实验原理：‎ 图1‎ 如图1所示的闭合电路中，电源的电动势为，内电阻为，负载电阻为，电路中的电流为，可以看出，当负载电阻足够大时，因为它和内电阻是串联在一起的，它两端的电压将非常接近于电源电动势，当，即所谓开路或断路时，，；当，即短路时，，这时候的电流最大。‎ 负载电阻两端的电压为，也可以写为，而电流为，因此有，这个关系在伏安曲线上表现为，，也就是时。如果，，。在实验中用滑动变阻器做负载电阻，改变它的电阻，以同时改变电流和电压，在软件中作伏安曲线图后，取拟合线，线的斜率的绝对值就是，曲线与纵轴的交点就是，点，可以测出电动势。‎ 实验目的：‎ 简单测量电池电动势和内阻。‎ 实验装置：‎ 计算机，数据采集器，电池，滑动变阻器，电流传感器，电压传感器，导线等。‎ 实验步骤：‎ ‎1．将数据采集器与电流传感器，电压传感器连接，然后将数据采集器与计算机连接，开启采集器电源，进入实验专用界面。‎ ‎2．把电流传感器，电压传感器的两个信号输入端的导线分别短接，对 电流传感器、电压传感器进行校零。‎ ‎3．按实验电路连接电路图，在专用界面的底部输入合适的采集间隔和采集数量，闭合开关，点击开始按钮，进行实验测量。‎ ‎4．将滑动变阻器从最大滑为最小，或者从最小滑到最大，得到伏安曲线，然后对伏安曲线进行线性拟合。‎ 实验数据记录与分析：‎ ‎1．电压变化：‎ ‎2．电流变化：‎ ‎3． 伏安曲线：‎ 从图象可以得出，电池的电动势为，内阻为。‎ 数字化实验仪器，包括传感器、数据采集器和实验软件，是新仪器、新器材、新设备。南京师范大学苏威尔科技有限公司研发、生产的传感器、数据采集器和实验软件，以及配套使用的实验器材如动力学系统（包括滑轮、小车、滑轨、支架等），电磁学系统（如逻辑门电路、施密特触发器、霍尔元件实验等）等，是国内具有先进水平的数字化实验仪器，可以满足新课程对物理实验的要求和需要，可以促进物理实验教学质量的提高，可以促进物理实验的数字化、现代化。‎