摘 要：物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化能夠顯化實(shí)驗(yàn)原理，是改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的重要方法。在傳感器與計(jì)算機(jī)的幫助下，對“測定直流電動(dòng)機(jī)的效率”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再改進(jìn)，解決了分組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大誤差和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解不深的問題。

關(guān)鍵詞：DISLab；直流電動(dòng)機(jī)；效率

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出：“演示實(shí)驗(yàn)是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式，也是體驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)方式，教師要積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式，盡可能多地開發(fā)出可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實(shí)驗(yàn)?！保?］自DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誕生以來，物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化已成為改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要方法之一。部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受觀測儀器的限制，未能直觀、可視化地呈現(xiàn)所研究物理量之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解不深，課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)下降。若能對一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，顯化實(shí)驗(yàn)原理，則有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

2 “測定直流電動(dòng)機(jī)的效率”實(shí)驗(yàn)的已有方案及其不足

2.1 教材原版實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)源自上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版的普通高中教科書《物理》高中二年級第一學(xué)期（試用本）第十章“磁場”D節(jié)“直流電動(dòng)機(jī)”的內(nèi)容。教材中給出的實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示，并要求學(xué)生思考：①如何計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)的輸入功率、輸出功率？②如何得出直流電動(dòng)機(jī)的效率表達(dá)式？③如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖？④實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)中應(yīng)測量哪些物理量？

電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，讓學(xué)生親自動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生樹立有關(guān)能量守恒與轉(zhuǎn)化的觀念。能量轉(zhuǎn)化過程中，必然存在能量損失，這就涉及轉(zhuǎn)化效率。由電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電動(dòng)機(jī)的輸入能量為電能，輸入功率為P輸入＝UI，輸出能量為機(jī)械能，輸出功率為P輸出＝Fv，則其效率為η＝P輸出P輸入

＝FvUI。這里，需要考慮表達(dá)式中的物理量在現(xiàn)有儀器條件下是否可以測量。連接電路后，電壓U和電流I分別用電壓表、電流表測量；F應(yīng)為電動(dòng)機(jī)牽引線的拉力，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無法直接精確測量，只能通過砝碼的重力代替；速度v可以由砝碼上升的高度和上升的時(shí)間來計(jì)算。因而電動(dòng)機(jī)的效率可以表示為η＝P輸出P輸入＝FvUI＝mghtUI＝mghUIt。實(shí)驗(yàn)中測量出重物質(zhì)量、重物上升高度、上升時(shí)間、電壓U和電流I，代入電動(dòng)機(jī)的效率表達(dá)式即可得出直流電動(dòng)機(jī)的效率。

2.2 教材原版實(shí)驗(yàn)的曾改進(jìn)版本與不足

一些教師對教材原版實(shí)驗(yàn)做了不同的改進(jìn)。例如，上海市青浦區(qū)第一中學(xué)的陳希老師曾利用DISLab改變傳統(tǒng)儀器測量方式，利用DIS提高電動(dòng)機(jī)輸入電壓、電流的測量精度，利用位移傳感器測量直流電動(dòng)機(jī)牽引速度，其方案主要解決的問題是提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量精度。［2］上海市風(fēng)華中學(xué)的沈慧麗老師在陳老師的改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，解決了由于轉(zhuǎn)輪損失能量導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差以及連接電路時(shí)間較長的問題。［3］沈老師的實(shí)驗(yàn)方案與陳老師的方案的最大不同之處是利用光電門測量上升時(shí)間。然而，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)仍存在下列問題。

第一，實(shí)驗(yàn)誤差較大。筆者在課堂分組實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格的電動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)中測量的效率不同，即使采用相同的器材，各小組測量的效率也存在較大的差距。在課后與學(xué)生訪談過程中，筆者了解到多數(shù)學(xué)生也對實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)效率的差異過大表示不解。筆者在查詢相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，直流電動(dòng)機(jī)在不同扭矩和不同轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)下的效率不同。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于不同小組選擇的鉤碼質(zhì)量不同，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，測量結(jié)果也必然有所不同。

第二，實(shí)驗(yàn)原理顯化不足。在課堂教學(xué)中，筆者先用“感受無人機(jī)的電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的發(fā)熱”作為情景引入，從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度引導(dǎo)學(xué)生得出電動(dòng)機(jī)的輸入功率、輸出功率以及效率的表達(dá)式。然而，在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)過程中，部分學(xué)生仍不清楚為何要測量這些物理量，說明這部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理理解不夠透徹。在完成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析時(shí)，筆者通過問題逐步引導(dǎo)學(xué)生思考什么情況下FvUI＝mghUIt才成立，即F＝mg，v＝ht成立的條件，學(xué)生才領(lǐng)悟到該表達(dá)式在鉤碼勻速上升時(shí)才成立。

3 “測定直流電動(dòng)機(jī)的效率”實(shí)驗(yàn)方案的再改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)電路圖與實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路圖和實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖2、3所示。其中，各傳感器的作用如下。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器：通過測量自帶轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過的弧長得出牽引物體的位移—時(shí)間（x-t）關(guān)系，進(jìn)而獲得速度—時(shí)間（v-t）關(guān)系圖像。

力傳感器：其測量掛鉤與細(xì)線相連，可獲取細(xì)線的張力隨時(shí)間的變化情況，細(xì)線繃緊狀態(tài)下測得直流電動(dòng)機(jī)輸出牽引力隨時(shí)間變化（F-t）的關(guān)系圖像。

電流傳感器：測量直流電動(dòng)機(jī)的輸入電流，可獲得電流—時(shí)間（I-t）關(guān)系圖像。

電壓傳感器：測量直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，可獲得電壓—時(shí)間（U-t）關(guān)系圖像。

相應(yīng)傳感器獲得圖像分別如圖4所示。

除此之外，還須說明的是：配重片可安裝在力傳感器上，從而改變直流電動(dòng)機(jī)牽引力的大?。徽{(diào)節(jié)電源可改變直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓，從而改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；由于力傳感器在實(shí)驗(yàn)中是運(yùn)動(dòng)的，且實(shí)驗(yàn)中同時(shí)使用四個(gè)傳感器，有線傳輸數(shù)據(jù)會(huì)帶來實(shí)驗(yàn)誤差與不便，所以本實(shí)驗(yàn)使用的傳感器都為無線連接。

3.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

第一步，安裝實(shí)驗(yàn)裝置。連接電路，并使四個(gè)傳感器處于工作狀態(tài)。

第二步，傳感器調(diào)零。點(diǎn)擊DIS專用軟件界面下的“開始實(shí)驗(yàn)”，將力傳感器取下并放置于桌面上，再點(diǎn)擊“調(diào)零”即完成四個(gè)傳感器的調(diào)零操作。

第三步，開始實(shí)驗(yàn)。將力傳感器安裝完畢后，將電源電壓調(diào)至直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓，先點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，再閉合開關(guān)。此時(shí)軟件會(huì)實(shí)時(shí)顯示牽引力—時(shí)間圖像（F-t圖像）、速度—時(shí)間圖像（v-t圖像）、電壓-時(shí)間圖像（U-t圖像）和電流—時(shí)間圖像（I-t圖像），并計(jì)算得出效率—時(shí)間圖像（η-t圖像）。

第四步，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在力傳感器到達(dá)頂部前斷開開關(guān)，使電動(dòng)機(jī)停止工作，再點(diǎn)擊“停止記錄”。

將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，改變配重或直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，多次實(shí)驗(yàn)。完成后斷開開關(guān)，并關(guān)閉所有傳感器的開關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 顯化實(shí)驗(yàn)原理

傳感器測量的四個(gè)物理量（牽引力、速度、電壓、電流）與電動(dòng)機(jī)效率的表達(dá)式（η＝P輸出P輸入＝FvUI）中的物理量一一對應(yīng)，并以圖像直觀呈現(xiàn)，效率—時(shí)間圖像通過軟件計(jì)算實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)裝置圖與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像，學(xué)生能快速建立物理模型，理解實(shí)驗(yàn)原理。

4.2 數(shù)據(jù)可視化

第一，相同實(shí)驗(yàn)器材誤差可視。教材原版實(shí)驗(yàn)測量效率時(shí)要求鉤碼勻速上升，而鉤碼上升時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況大致為先加速、后勻速、最后減速到零（如圖5所示）。觀察發(fā)現(xiàn)這一過程中電動(dòng)機(jī)的效率隨時(shí)間變化的圖像有類似的變化過程。教材原版實(shí)驗(yàn)是將鉤碼的上升運(yùn)動(dòng)粗略看作勻速直線運(yùn)動(dòng)，而不同實(shí)驗(yàn)小組很難做到運(yùn)動(dòng)情況一致，尤其是加速和減速階段，若選取實(shí)驗(yàn)中最接近勻速直線運(yùn)動(dòng)的區(qū)間，實(shí)驗(yàn)誤差則會(huì)較小。這也就解釋了為什么相同實(shí)驗(yàn)器材完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)測量結(jié)果也存在一定差異。

第二，不同實(shí)驗(yàn)器材誤差可視。筆者改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案中，控制牽引力不變，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，可得不同轉(zhuǎn)速下，直流電動(dòng)機(jī)的效率不同。提取多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表1所示）可得：不同牽引力、不同轉(zhuǎn)速情況下，直流電動(dòng)機(jī)的效率不同。該結(jié)論也符合電動(dòng)機(jī)在不同扭矩、不同轉(zhuǎn)速情況下，其效率不同。

5 結(jié)束語

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案仍存在的實(shí)驗(yàn)誤差：實(shí)驗(yàn)時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳感器的轉(zhuǎn)輪會(huì)造成電動(dòng)機(jī)一部分輸出機(jī)械能的損失，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量的效率仍比實(shí)際效率偏低，有待后續(xù)改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)后教師可提出拓展問題，供學(xué)生繼續(xù)探究。例如：①傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量的效率與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)測量的效率有什么區(qū)別？②如何解釋電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、牽引力、轉(zhuǎn)速不同時(shí)的效率不同？③電動(dòng)汽車提升續(xù)航能力可以從哪些方面入手解決？

數(shù)字化改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，既能降低實(shí)驗(yàn)器材的安裝難度，也能利用數(shù)字化圖像直觀地顯化實(shí)驗(yàn)原理。啟發(fā)學(xué)生探尋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理原理，而不僅僅是做實(shí)驗(yàn)，更要懂實(shí)驗(yàn)。物理作為以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，唯有情境下的物理規(guī)律探索，才能給學(xué)生帶來全方位的學(xué)習(xí)真體驗(yàn)。以動(dòng)手實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的科學(xué)思維，帶動(dòng)其物理觀念的提升，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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