計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用
——以有關(guān)綠色能源實(shí)驗(yàn)為例

譚國(guó)鋒

(杭州第二中學(xué)浙江 杭州310053)

摘 要：介紹并論述了PASCO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高中物理課程教學(xué)中的應(yīng)用，包括在太陽(yáng)能電池光電特性、法拉第定律和電解槽的電解效率等方面的實(shí)驗(yàn)研究.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集課堂教學(xué)傳感技術(shù)

收稿日期：(2014-12-01)

1引言

教育部《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)(教高〔2014〕4號(hào))》明確指出課程改革要增強(qiáng)時(shí)代性，充分體現(xiàn)先進(jìn)的教育思想和教育理念，學(xué)習(xí)內(nèi)容要符合學(xué)生不同發(fā)展階段的年齡特征，緊密聯(lián)系學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)[1].

本文介紹一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與傳感技術(shù)的綠色能源實(shí)驗(yàn)，把基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的“大數(shù)據(jù)”與“傳感器”技術(shù)用于高中物理教學(xué)中，使學(xué)生對(duì)電學(xué)、光電效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化有更全面的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理與生產(chǎn)、生活實(shí)際和科技發(fā)展聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，從而引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力，符合新時(shí)期課改的要求[2].

2實(shí)驗(yàn)原理與方法

2.1PASCO系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集口、利用電腦進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，裝置如圖1所示.其數(shù)據(jù)取樣率最大可達(dá)10 M，可以實(shí)時(shí)測(cè)量一些瞬態(tài)變化的物理量，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控；現(xiàn)有傳感器120多種；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)、圖表、視屏顯示、擬合、FFT工具、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程回放、視屏分析處理、實(shí)驗(yàn)日志等[3，4].

圖1　PASCO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2實(shí)驗(yàn)原理

綠色能源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、電解槽、燃料電池、用電器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.其基本原理是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)質(zhì)子膜電解槽來(lái)電解去離子水，將水電離成氫氣和氧氣，將氫氣和空氣在燃料電池中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)從而進(jìn)行電能輸出.同時(shí)也可直接將太陽(yáng)能電池板用作電源給負(fù)載供電.實(shí)驗(yàn)采用“排水集氣法”收集電解水所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，更生動(dòng)直觀，而且更注重氣體的回收利用.

圖2　綠色能源存儲(chǔ)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)框圖

2.3實(shí)驗(yàn)裝置

新能源實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.實(shí)驗(yàn)可做內(nèi)容有太陽(yáng)能電池板的性能測(cè)試、電解槽的電學(xué)性能測(cè)試、電解水效率的測(cè)試、燃料電池的電學(xué)性能測(cè)試、太陽(yáng)能電池板供電實(shí)驗(yàn)等.數(shù)據(jù)采集與處理采用PASCO系統(tǒng)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的物理測(cè)量方式更適合工業(yè)時(shí)代的需要，而現(xiàn)在已經(jīng)是信息時(shí)代了，大數(shù)據(jù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已真正相結(jié)合，PASCO系統(tǒng)的融入有利于學(xué)生學(xué)習(xí)“大數(shù)據(jù)”的概念[5,6].

圖3　太陽(yáng)能氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)裝置圖

3PASCO綠色能源綜合測(cè)試

3.1太陽(yáng)能電池板的電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)改變光源與太陽(yáng)能電池板間的距離，觀察太陽(yáng)能電池板的光電流和空載電壓(即電池電勢(shì))隨光源與太陽(yáng)能電池板距離的變化而變化.太陽(yáng)能電池板的電學(xué)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4和圖5 所示.

圖4　光電流隨光照距離的變化

圖5　太陽(yáng)能電池電勢(shì)隨光照距離的變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明太陽(yáng)能電池板電流、電壓隨著與光源間的距離越來(lái)越大而越來(lái)越小，及光照強(qiáng)度大，太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的電流、電壓也大；反之，小而小，但兩者間距離不可過(guò)小，以免造成損壞.

3.2太陽(yáng)能電池的伏安特性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線的測(cè)量可以得到太陽(yáng)能電池的工作性能，并能夠得出其最大功率點(diǎn)(MPPT).太陽(yáng)能電池的伏安特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示.

圖6　電壓與功率的關(guān)系

圖7　電壓與電流的關(guān)系

3.3法拉第定律和電解槽的電解效率

法拉第定律描述的是通過(guò)電解槽上的電流大小與氣體產(chǎn)生量之間的關(guān)系.電解槽的電解效率為實(shí)際氣體產(chǎn)生量與理論氣體產(chǎn)生量之比.法拉第定律和電解槽的電解效率數(shù)據(jù)如圖8和圖9所示.

圖8　電解槽電流時(shí)間特性

由圖9可以得到電解產(chǎn)生20 mL氣體功率的時(shí)間積分為274.44 W·s.由圖8可得電流的時(shí)間積分為168.92 C，VH(實(shí)際值)=20 mL，VH(理論值)=21.77 mL，電解槽的電解效率為91.85%.能量效率等于產(chǎn)生30 mL氫氣消耗的能量與能量消耗總值之比，為92.88%.

圖9　電解槽功率時(shí)間特性

3.4法拉第效率與燃料電池的化合效率

與電解槽電解效率相似，仍使用法拉第定律來(lái)計(jì)算燃料電池的效率.法拉第效率與燃料電池的化合效率數(shù)據(jù)如圖10和圖11所示.

燃料電池功率對(duì)時(shí)間的積分為63.26 W·s

∑I(t)t=78.49 A·s

10.18 mL

法拉第效率為

燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率η為58.57%.

以上一些實(shí)驗(yàn)的嘗試，開(kāi)拓了筆者在教學(xué)方面的新思路，對(duì)新科技在物理教學(xué)中的應(yīng)用有了新的思考，縮短了基礎(chǔ)物理教學(xué)與新科技的距離，是一種比較好的嘗試.

圖10　燃料電池電流時(shí)間特性

圖11　燃料電池功率時(shí)間特性

1教基二〔2014〕4號(hào) 關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的意見(jiàn)

2http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm．國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要

3www. anpico.com.美國(guó)PASCO公司.通用接口850及配套軟件Capstone使用實(shí)驗(yàn)手冊(cè)

4http://www.pasco.com/.美國(guó)PASCO公司.“科學(xué)工作室”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[EB/OL]

5張偉，蔡穎標(biāo)．基于PASCO平臺(tái)的法拉第磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn).物理實(shí)驗(yàn),2011，31(7)：33～36

6鄭少燕，林淑淇，李德安，等．基于PASCO系統(tǒng)的加速度研究．物理實(shí)驗(yàn),2013,33(4):21～23

Application on PASCO Data Collecting

System in Physics Teaching

Tan Guofeng

(Hangzhou No.2 High School,Hangzhou,Zhejiang310053)

Abstract：In this article, we introduce the application of PASCO Data Collecting System in photovoltaic effect of the solar battery, Faraday′s Law of electrolysis and the electrolysis efficiency of electrolytic tank in physics teaching in high schools

Key words:data collection; classroom teaching; media technology