數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1、    數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用    潘炳鋒摘 要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用傳感器將實(shí)驗(yàn)中獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，利用數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得實(shí)驗(yàn)圖像和數(shù)據(jù)表格，以此來探究或驗(yàn)證科學(xué)規(guī)律。關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度-圖象關(guān)系；探究牛頓第三定律：g632 ：b ：1002-7661（2016）05-117-02計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給我們的中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了全新的變化。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們常常帶領(lǐng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生要操作實(shí)驗(yàn)儀器，并及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完成后，還要整理數(shù)據(jù)表格，通過描

2、點(diǎn)法繪出相應(yīng)的圖像，這些過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量相當(dāng)大。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，構(gòu)成的全新的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是依托傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中利用傳感器測(cè)量、采集接收各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，最終在電腦顯示器上輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像，最終達(dá)到能快速準(zhǔn)確的總結(jié)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的目的。一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有以下幾部分組成：1、傳感器：直接用于采集實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)記入、保存、分析、處理。4、配套實(shí)驗(yàn)器材：用于搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配合傳感器更好的完成

3、實(shí)驗(yàn)。二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連接方法：硬件連接：將配套實(shí)驗(yàn)器材搭建好，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求把傳感器安置在實(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)擊通用軟件，進(jìn)入軟件界面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐操作，現(xiàn)總結(jié)如下：三、探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄縿蜃兯僦本€運(yùn)動(dòng)中速度隨時(shí)間的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)器材：微型調(diào)節(jié)支架組件、多功能導(dǎo)軌、寬l型支架、動(dòng)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(jì)算機(jī)等。實(shí)驗(yàn)裝置如右圖：實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、將實(shí)驗(yàn)裝置如圖搭建，將光電門

4、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(jì)算機(jī)連接。3、雙擊實(shí)驗(yàn)軟件，單擊教材通用軟件，點(diǎn)擊新建實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面；4、點(diǎn)擊“光電門設(shè)置”按鈕，對(duì)光電門進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后再選擇實(shí)驗(yàn)類型：直線運(yùn)動(dòng)；測(cè)量方式：獨(dú)立測(cè)量；被測(cè)物理量：速度；擋光片類型：滑輪；其他選擇默認(rèn)后點(diǎn)擊“完成”；點(diǎn)擊增加線按鈕，添加速度-時(shí)間圖線；5、在速度-時(shí)間圖像上設(shè)置合適的采集時(shí)間（1分鐘）和采集間隔（0.1秒）后點(diǎn)擊開始按鈕，釋放小車，點(diǎn)擊開始按鈕，采集數(shù)據(jù)的同時(shí)繪出圖線；6、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后點(diǎn)擊結(jié)束按鈕結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體，其速度隨時(shí)間變化的關(guān)系符

5、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(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄孔饔昧εc反作用力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)器材：計(jì)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(shí)驗(yàn)器，2個(gè)力傳感器等。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器將2個(gè)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(shí)驗(yàn)裝置如右圖：實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、將實(shí)驗(yàn)裝置如圖搭建，將2個(gè)力傳感器如圖固定；2、用網(wǎng)線將2個(gè)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(jì)算機(jī)連接；3、雙擊實(shí)驗(yàn)軟件，單擊教材通用軟件，點(diǎn)擊新建實(shí)驗(yàn)，進(jìn)

6、入實(shí)驗(yàn)界面；4、點(diǎn)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(diǎn)擊增加；5、點(diǎn)擊快速實(shí)驗(yàn)，勾選f1，f3，建立“f1、f3-t”坐標(biāo)關(guān)系，點(diǎn)擊傳感器校準(zhǔn)按鈕，對(duì)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)；6、點(diǎn)擊“開始”按鈕，同時(shí)將滑板支架上的力傳感器拉或是推，直至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成后，點(diǎn)擊“停止”按鈕。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄扛×Φ拇笮∨c排開液體重力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)器材：計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，力傳感器、浮力定律實(shí)驗(yàn)器實(shí)驗(yàn)配

7、套裝置等。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置如右圖：實(shí)驗(yàn)步驟如下：1、將實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)連接；3、雙擊實(shí)驗(yàn)軟件，單擊教材通用軟件，點(diǎn)擊新建實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，對(duì)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，掛上重物，記錄固定在鐵架臺(tái)上力傳感器的示數(shù)（例如3n）；4、點(diǎn)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

8、重物受到水的浮力大??；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(diǎn)擊“增加”； 5、點(diǎn)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(shí)間；調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使配重塊逐步浸入水中，手動(dòng)輸入h，點(diǎn)擊“手動(dòng)采集”，記錄數(shù)據(jù)；6、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，生成實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)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?？傊捎脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)過程大大簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)

9、時(shí)間大幅縮短，優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，總結(jié)有以下幾點(diǎn)：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(shí)輸出數(shù)據(jù)和圖像，還能對(duì)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)圖像就會(huì)翻轉(zhuǎn)180度，與f1圖像對(duì)比后，使學(xué)生形象生動(dòng)的觀察到兩個(gè)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(shí)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

10、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(shí)驗(yàn)，甚至還能將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像通過wifi傳給蘋果手機(jī)用戶，實(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，在我們的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，也有幾個(gè)問題值得我們思考和探討：1、采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)，我們得先了解各種硬件的特點(diǎn)和連接方法，同時(shí)還要學(xué)習(xí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的操作方法和使用技巧，這是要化時(shí)間進(jìn)行培訓(xùn)和學(xué)習(xí)的，對(duì)于學(xué)生來說，要求更高，化費(fèi)的時(shí)間可能也更長(zhǎng)。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(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)等多方面的能力培養(yǎng)，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)