数字化实验系统在中学物理教学中的应用

数字化实验系统在中学物理教学中的应用内容提要教学实验的特点数字化实验的基本概念数字化实验的特点数字化实验与传统实验的关系数字化实验设计实例作为教学实验一种类型的数字化实验作为教学实验的一种类型，数字化实验必须满足教学实验一般的要求．教学实验是为教学活动服务的，它的主要功能是教学功能．作为教学过程中的实验，最重要的不在于得到某一项具体的实验结果，而在于整个实验和其它各个教学环节的过程．同时，既然要用数字化手段来进行某一实验，选择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时充分发挥数字化技术的特长．1．教学实验必须有鲜明的物理思想．教学实验必须含有丰富的物理思想．实验设计要突出所研究的问题的背景，实验所依据的原理和研究问题所用的方法．2．教学实验的设计要能充分展示所研究的物理过程，有效地揭露物理过程的本质．教学实验的设计还必须给学生提供充分发挥创造力、想象力的空间，有一定的操作要素．数字化实验系统的构成硬件:传感器采集器计算机软件:对数据的采集进行控制对所采集的数据进行处理数字化实验的特点１．强大的数据采集能力．利用计算机，既可以对传感器在快速变化的瞬态过程中获得的大量实验数据进行实时采集，也可以长时间地跟踪收集极缓慢过程的各种实验数据．数字化技术为理科教学中改造传统实验或开发以前无法进行的新实验提供了有力的工具．２．灵活的数据处理能力．通过计算机，可以对实验过程进行控制，对大量的数据进行各种复杂的、快速的处理，例如数据的转换、曲线的拟合、误差的计算等．这就允许在实验中尝试改变各种条件，比较实验的结果，为学生创造了一个科学探究和自主学习的环境，培养学生的观察和实验能力以及实事求是、勇于探究的科学态度．３．为互动式教学创造了条件．在实验室中将计算机联机，可以方便地实现数据共享，在教师的指导下对各组实验结果进行比较、探讨，为开放、互动性的课堂教学创造了条件．数字化实验与传统实验的关系中学作为基础教育阶段，传统实验方法的训练对学生实验能力、科学素质的培养是必不可少的．但若要研究的物理过程十分复杂，要采集或处理的数据量很多，或要通过多次改变实验条件，对实验过程进行深入的分析，数字化实验手段就有强大的优势和广阔的空间．数字化实验和传统实各有长处和短处，二者应该是互补关系，不能互相取代．数字化实验的设计原则首先，它必须满足教学实验一般的要求．既然要用数字化手段来进行某一实验，选择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时充分发挥数字化技术的特长．在实验课题的选择上，数字化实验比较适合用在那些过程比较复杂的，要采集的数据量比较多的，数据处理中计算量比较大的实验．其次，在制定实验的要求，设计实验的过程和方法时也要尽量体现数字化实验的特点．用数字化系统进行实验时，突出的问题是数据的采集、处理（包括作图线、数据转换、各种计算、拟合等）都是在幕后进行的．这在实际工作中可能带来很多便利，而在教学中却是一个缺陷．因此在实验设计中要尽可能把这些幕后的操作移到前台来．比方说需要进行物理量转换的时候，最好由实验者自己输入公式；需要显示物理图线的时候，最好由实验者自己选择坐标和标度；需要进行数据拟合的时候，最好由实验者根据实验曲线的形状，自己选择拟合公式等．总之，那些只要点击鼠标，立刻就自动地得到“理想”结果的最便捷的实验，从教学角度看，效果是并不好的．数字化实验设计实例１．作用力与反作用力关系的研究２．碰撞与缓冲的研究３．弹簧振子运动过程的研究４．电容器充、放电过程的研究５．定值电阻伏安特性的研究６．电磁感应现象的研究７．交流电有效值的研究８．振荡电路的研究９．气体等温过程的研究１０．认识无线传感器作用力与反作用力实验目的：说明物体间发生相互作用时，作用力反作用力方向相反，大小相等．实验方法：用两个力传感器互相对拉或对压，比较两条“力－时间”函数图线．碰撞与缓冲的研究实验目的：比较缓冲物软硬程度对冲力大小的影响．验证动量定理．实验方法：使砝码从同一高度下落到软硬程度不同的缓冲垫上，通过“力－时间”图线比较冲力大小．将珐码与缓冲垫接触过程中受到的“合力”对时间积分，说明珐码从同一高度下落，自接触缓冲垫到停止运动，所受合力的冲量相等．弹簧振子运动过程的研究实验目的：对弹簧振子运动过程从多个角度进行深入研究－－１．弹簧振子的运动方程．２．弹簧振子运动过程中力、位移、速度、加速度的相位关系．３．弹簧振子运动过程中能量的转换．４．用弹簧振子运动验证牛顿第二定律．实验方法：１．通过对弹簧振子的“位移－时间”图线进行拟合求弹簧振子的运动方程．２．通过作弹簧振子的“力、位移－时间”、“力、速度－时间”、“力、加速度－时间”图线，比较它们之间的相位关系．３．通过“动能、势能、总机械能－时间”图线，研究弹簧振子运动中能量的转换关系．４．通过作弹簧振子的“加速度－力”图线验证牛顿第二定律．电容器充、放电过程的研究实验目的：１．观察电容器充放电过程中电压、电流的变化情况．２．说明电容器所带电量与电压之比是只与电容器物理结构有关的常量，说明物理量“电容”的概念．实验方法：１．观察电容器充、放电过程的“电压－时间”、“电流－时间”函数图线．２．将电容器充、放电过程的“电流－时间”图线对时间积分，求出充、放电的电量．证明对某一电容器来说，这电量与充电电压之比是一个常量．定值电阻伏安特性的研究实验目的：１．研究定值电阻的伏安特性２．研究定值电阻上消耗的电功率与电压的关系．实验方法：１．通过对定值电阻伏安特性曲线的线性拟合，研究定值电阻上电压、电流、电阻间的函数关系．２．通过对定值电阻上“功率－电压”曲线的拟合，研究定值电阻上消耗的电功率与电压的函数关系．电磁感应现象的研究实验目的：验证电磁感应定律．实验方法：比较“磁感强度、感应电压－时间”、“磁感强度变化率、感应电压－时间”图线，说明在电磁感应现象中电路中感应电动势的大小只与磁通量的变化率有关．研究交流电的有效值实验目的：研究正弦交流电有效值与峰值间的关系．实验方法：１．通过用“正弦函数”对“交流电压－时间”图线进行拟合，确认低压交流电源输出的是否可看作是正弦交流电．２．通过对“电压平方－时间”图线进行统计分析，求出在整周期内交流电压的“均方根”值，并求出交流电压的峰值与“均方根”值之比．振荡电流的研究实验目的：１．研究“LC”振荡电路产生振荡电流的过程．２．研究产生振荡电流时电路中电压、电流间的相位关系．实验方法：１．观察“LC电路”产生超低频振荡的过程．２．通过软件慢速重放的功能研究产生振荡时电路中电压和电流间的相位关系．气体等温过程的研究实验目的：验证一定量气体等温过程中压强与体积的关系．实验方法：１．通过单点输入，作出一定量气体“压强－体积”曲线．２．通过对“压强－体积”曲线的拟合，验证波义耳定律．认识无线传感器