数字化实验系统在物理实验中的应用

潘炳锋

摘 要：数字化实验系统是利用传感器将实验中获得的模拟信号转化为数字信号，通过数据采集器传输到计算机上，利用数据分析软件，对数据进行分析处理，获得实验图像和数据表格，以此来探究或验证科学规律。

关键词：数字化实验系统；匀变速直线运动的速度-图象关系；探究牛顿第三定律

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2016）05-117-02

计算机技术的发展给我们的中学实验教学带来了全新的变化。在以往的实验教学中，我们常常带领学生动手实验，学生要操作实验仪器，并及时记录实验数据，实验完成后，还要整理数据表格，通过描点法绘出相应的图像，这些过程费时费力，工作量相当大。

数字化实验系统就是将传感器技术、计算机技术与传统实验相结合，构成的全新的现代化实验教学体系。这种实验系统是依托传感技术和计算机技术，在实验中利用传感器测量、采集接收各种实验数据，并将数据实时输入计算机进行处理和分析，最终在电脑显示器上输出实验数据和图像，最终达到能快速准确的总结出实验结论的目的。

一、数字化实验系统有以下几部分组成：

1、传感器：直接用于采集实验数据。

2、数据采集器：连接传感器与电脑，将传感器采集的数据传输到电脑。

3、数据分析软件：用于实验的设计，数据记入、保存、分析、处理。

4、配套实验器材：用于搭建实验平台，配合传感器更好的完成实验。

二、数字化实验系统的连接方法：

硬件连接：将配套实验器材搭建好，根据实验需求把传感器安置在实验器材上；将传感器与数据采集器连接；将数据采集器与计算机连接。

软件设置：双击桌面的DIS数据分析软件，点击通用软件，进入软件界面，根据实验需求进行软件界面的设置。笔者经系统培训和学习，将如下三个实验进行实践操作，现总结如下：

三、探究匀变速直线运动的速度与时间关系

实验目的：探究匀变速直线运动中速度随时间的变化规律

实验器材：微型调节支架组件、多功能导轨、宽L型支架、动力学小车、光电门、缓冲器、滑轮架组件、钩码、细线、紧固件、采集器和计算机等。

实验装置如右图：

实验步骤如下：

1、将实验装置如图搭建，将光电门传感器如图固定在导轨上。

2、用网线将位移传感器与数据采集器连接；用USB线将数据采集器与计算机连接。

3、双击实验软件，单击教材通用软件，点击新建实验，进入实验界面；

4、点击“光电门设置”按钮，对光电门进行设置，设置好后再选择实验类型：直线运动；测量方式：独立测量；被测物理量：速度；挡光片类型：滑轮；其他选择默认后点击“完成”；点击增加线按钮，添加速度-时间图线；

5、在速度-时间图像上设置合适的采集时间（1分钟）和采集间隔（0.1秒）后点击开始按钮，释放小车，点击开始按钮，采集数据的同时绘出图线；

6、实验结束后点击结束按钮结束实验。

实验结果与分析：

做匀变速直线运动的物体，其速度随时间变化的关系符合一次函数的关系，与速度公式 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、探究牛顿第三定律

实验目的：探究作用力与反作用力的关系

实验器材：计算机，数据采集器，数据线，USB线，作用力与反作用力的关系实验器，2个力传感器等。

实验原理：根据牛三定律，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且作用在同一直线上。此实验器将2个力传感器固定在一条直线上，形成作用力与反作用力的关系。

实验装置如右图：

实验步骤如下：

1、将实验装置如图搭建，将2个力传感器如图固定；

2、用网线将2个力传感器与数据采集器连接；用USB线将数据采集器与计算机连接；

3、双击实验软件，单击教材通用软件，点击新建实验，进入实验界面；

4、点击“公式编辑”，可以看到F1、F2分别代表力传感器示数，在变量名中输入F3，名称输入力，单位选择N，类型选择公式，输入-F2，点击增加；

5、点击快速实验，勾选F1，F3，建立“F1、F3-t”坐标关系，点击传感器校准按钮，对力传感器进行校准；

6、点击“开始”按钮，同时将滑板支架上的力传感器拉或是推，直至实验数据采集完成后，点击“停止”按钮。

实验结果与分析：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，但不在同一物体上。

五、探究浮力的大小与排开液体重力的关系

实验目的：探究浮力的大小与排开液体重力的关系

实验器材：计算机，数据采集器，数据线，力传感器、浮力定律实验器实验配套装置等。

实验原理：浸在液体里的物体受到竖直向上的浮力，浮力大小等于被物体排开的液体所受重力。

实验装置如右图：

实验步骤如下：

1、将实验装置如图搭建，将力传感器如图固定；

2、用网线将力传感器与数据采集器连接；用USB线将数据采集器与计算机连接；

3、双击实验软件，单击教材通用软件，点击新建实验，进入实验界面，对力传感器进行校准，挂上重物，记录固定在铁架台上力传感器的示数（例如3N）；

4、点击“公式编辑”，增加变量h、单位cm，表示水没过重物的高度；编辑公式V=3.14×（0.025）2×0.01×h（圆柱体的直径：5cm），表示排开水的体积；编辑公式F=3-F1，表示重物受到水的浮力大小；编辑公式G=1000×V×9.8，表示重物排出液体的重量，编辑好后点击“增加”；

5、点击“增加线”按钮，y轴设置为“浮力，排出液体的重力”，x轴设置为时间；调节升降台，使配重块逐步浸入水中，手动输入h，点击“手动采集”，记录数据；

6、实验结束后，生成实验数据表格，比较浸在液体中的物体受到的浮力和被物体排开的液体的重力；

实验结果与分析：

从左边表格可以发现：浮力与排开水的重力基本相等；右侧图像：浮力与排开水的重力图线基本重合。这样，误差允许范围内，对浸入液体内的物体，受到液体的浮力等于该物体排开水的重力。

总之，采用数字化实验系统后，实验过程大大简化，实验时间大幅缩短，优点是不言而喻的，总结有以下几点：

1、采用各种精准的传感器，使采集到的数据更加精确。

2、由于采用互联网技术和软件技术，处理数据更加快速正确，并能根据需要，及时输出数据和图像，还能对图像进行自由调节和进一步处理，这样可以节约实验时间，大大提高了课堂效率。

3、可以自由改变图像的显示方式。例如，在探究牛三定律时，我们只要编辑软件中的公式，在编辑公式中增加F3这一变量，并将该变量设为F3=-F2，原来F2实验图像就会翻转180度，与F1图像对比后，使学生形象生动的观察到两个力大小相等，方向相反，充分体现了软件的强大功能。

4、数据实现了无线传输和网络共享。现在随着科技的进步和发展，传感器的类型更多，功能更强：从有线传输变成了无线传输；数据采集器还集成了显示功能，预装了数据分析和处理软件Logger Pro3，使学生带着传感器和数据采集器就能完成了实验，甚至还能将实验数据和图像通过WiFi传给苹果手机用户，实现了数据的共享和传输，不得不感叹现代科技之发达和高超。随着计算机技术的高速发展，计算机的应用越来越广泛，在我们的实验教学中如果能引进先进的仪器和技术，无疑能极大的提高我们的实验效果和课堂效率。

当然，事物都有两面性，科技是一把双刃剑，先进的科技在带给我们方便的同时，也有几个问题值得我们思考和探讨：

1、采用数字化实验系统做实验，我们得先了解各种硬件的特点和连接方法，同时还要学习数字化实验系统软件的操作方法和使用技巧，这是要化时间进行培训和学习的，对于学生来说，要求更高，化费的时间可能也更长。

我们物理新课程标准强调“过程和方法”，注重学生设计实验、采集数据等多方面的能力培养，而数字化实验系统将数据的采集、记录和描绘等一系列步骤全都有计算机代替完成了，学生这些方面的能力可能得不到培养和发展。