王文祥

唐山師范學(xué)院玉田分校 河北唐山 064100

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的體會(huì)

王文祥

唐山師范學(xué)院玉田分校 河北唐山 064100

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，在信息化迅速發(fā)展的今天，信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合顯得尤為重要。數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱DIS）實(shí)驗(yàn)室，可使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)煥然一新。筆者有幸接觸到DIS實(shí)驗(yàn)室，并用它完成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，下面談幾點(diǎn)體會(huì)。

1 DIS簡(jiǎn)介

DIS是由計(jì)算機(jī)、配套軟件、數(shù)據(jù)采集器、一系列傳感器和常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。傳感器有壓力傳感器、距離傳感器、時(shí)間傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、電壓傳感器、電磁感應(yīng)傳感器、光照度傳感器等多種，它是將非電學(xué)量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照強(qiáng)度等）轉(zhuǎn)化成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)物理量（如電壓、電流、電阻、電容）的一種元件，即非電物理量→傳感器→電學(xué)量。它是感知、獲取和檢測(cè)信息的窗口，全系列的物理量傳感器的功能超越了電壓表、電流表、數(shù)字毫秒表、溫度計(jì)、測(cè)力計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)、光強(qiáng)計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、聲響計(jì)、測(cè)距儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器。DIS通過(guò)多種專用傳感器與數(shù)據(jù)采集器相配合完成相關(guān)物理量的采集、處理，然后上傳到計(jì)算機(jī)，由實(shí)驗(yàn)專用教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，形象、直觀地表達(dá)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 DIS在物理實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)

DIS的各種傳感器靈敏度較高，采集數(shù)據(jù)的頻率可隨意選擇。對(duì)于那些運(yùn)動(dòng)過(guò)程非?？斓膶?shí)驗(yàn)（如自由落體運(yùn)動(dòng)、電磁感應(yīng)等），用傳統(tǒng)方法不能實(shí)時(shí)采集到數(shù)據(jù)，而DIS則完全可以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可在大屏幕上隨時(shí)看到采集到的某些物理量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其與其他量的變化關(guān)系。

例如在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究中，當(dāng)條形磁鐵迅速插入或迅速拔出螺線管時(shí)，觀察、測(cè)量產(chǎn)生的感應(yīng)電流的大小，若用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，即將靈敏電流計(jì)與螺線管組成閉合回路，只能看到表針擺到某一刻度，再迅速回?cái)[到0刻度；若用DIS完成該實(shí)驗(yàn)，使用微電流傳感器，不僅能采集到各瞬時(shí)感應(yīng)電流的大小、方向，還能看到感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)圖線如圖1所示。

表1 單擺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 增大實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)度的優(yōu)勢(shì)

有些實(shí)驗(yàn)用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行時(shí)可見(jiàn)度很小，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的直觀性受到影響。DIS在該方面存在較大的優(yōu)勢(shì)。例如，傳統(tǒng)的溫度計(jì)、電流表、電壓表、測(cè)力計(jì)其可見(jiàn)度均比較小，若改用DIS的溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，全班學(xué)生均能看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度。如圖2所示為“摩擦力做功改變內(nèi)能”的實(shí)驗(yàn)圖線。

2.3 迅速處理數(shù)據(jù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)

有些實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)處理方面需要進(jìn)行繁瑣的計(jì)算，如牛頓第二定律、單擺、機(jī)械能守恒、動(dòng)量守恒等實(shí)驗(yàn)，若用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都需要繁瑣的計(jì)算才能得到實(shí)驗(yàn)規(guī)律；若用DIS系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，完全可以解決計(jì)算問(wèn)題，只要實(shí)驗(yàn)完畢，實(shí)驗(yàn)處理隨時(shí)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)規(guī)律馬上得到。如表1和圖3、圖4所示是“單擺”實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和圖像。

3 DIS在物理實(shí)驗(yàn)方面的缺陷

1）實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，必須花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間熟悉DIS系統(tǒng)軟件的使用方法，才能熟練地完成傳感器的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的保存等工作，確保實(shí)驗(yàn)的順利完成。

2）由于DIS可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集、處理過(guò)程，無(wú)形中剝奪了實(shí)驗(yàn)者一些操作的機(jī)會(huì)，不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力的培養(yǎng)。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.12.093