基于NI my DAQ实现物理信号的动态采集*——以电磁感应实验教学为例

曾 斌(广东实验中学 广东 广州 510375)陈心璐(佛山市顺德区桂洲中学 广东 佛山 528305)

NI myDAQ是一种低成本便携式数据采集设备，利用USB总线与计算机上的LabVIEW软件配合通信，可以实现对物理信号的动态采集与测量，并进行分析.法拉第历时10年揭示了“磁生电”的奥秘，看似简单易懂的电磁感应现象实质是一种历时极短、变化瞬间即逝的暂态过程.教材中的传统演示实验通常是利用检流计来显示闭合回路中感应电流的产生过程，通过指针的偏转证明了感应电流的存在.但是，对于这一瞬间的变化过程，在实际教学中存在某些问题，比如由于持续时间较短或者产生的感应电流过于微弱，导致检流计指针偏转角度过小，学生只看到了检流计指针的轻微晃动等.因此，仅凭借传统的演示器材，也就是检流计，无法使学生深刻认识到：当回路中磁通量变化时，感应电流也随之发生一系列变化.为改善当前教学中存在的这一问题，笔者利用自制的实验教具，将现代化的测量技术引入到教学中，使得这一暂态且是动态的电磁感应现象能够“凝固化”.这样通过改良，一方面改进演示实验的效果，提高测量的精确度与实验的直观性，另一方面在提升实验科学技术含量的同时，也加深了学生对电磁感应现象本质的理解与认识，激发学生对物理的学习兴趣，提升学生的科学素养.

1 基于NI myDAQ的数据采集系统设计

作为NI“口袋实验室”系列针对测试测量学习及应用的教学设备，myDAQ以其低成本、便携性的优势被引入高中课程教学.通过LabVIEW 程序，myDAQ可以进行模拟和数字信号的采集、测量和分析[1]，其采集系统结构图如图1所示.NI myDAQ为实验系统提供了硬件环境，软件采用广泛使用的LabVIEW开发平台，在这种“软硬兼容”的环境下借助计算机实现对实际信号的动态采集.

图1 基于LabVIEW及DAQ的数据采集系统结构

LabVIEW软件功能强大，它采用的是简单易懂的图形化编程语言.本实验系统为了将一闪而过的感应电流完整地捕捉再现，在LabVIEW前面板上将感应电流随时间连续变化的过程以波形图的形式显示，将抽象的电磁感应现象图形化，给学生最直观的体验，有利于帮助学生理解电磁感应产生的条件.

NI myDAQ是由美国NI公司开发的一种低成本便携式数据采集和数据输出设备，配有USB即插即用接口，可与计算机相连, 可针对各种测量进行快速方便的采集和显示,方便控制信号的输入输出.通过与计算机上的NI LabVIEW软件配合使用，使得测量更加现代化与数字化.图2所示是NI myDAQ的外观，该采集卡带有 2 个模拟量输入(analog input，AI)端口、2 个模拟输出( analog output，AO) 端口、8 个数字输入 /输出( data input and output，DIO) 端口、± 15 V 和5 V电压端口 、2 个模拟接地 ( analog ground，AGND ) 和1 个数字接地 ( data ground，DGND ) 端口 .2 组 AI 通道可被配置为通用高阻抗差分电压输入或音频输入； AO 通道可被配置为通用电压输出或音频输出，也可作为数模转换通道使用；8 个 DIO 通道中，每个通道内部连接一个可编程函数接口 ( programmable functioninterface，PFI ) ；15 V电源可作为电源模拟组件，+5 V 可作为电源数字组件.

图2 NI myDAQ外观

2 教学实例——探究感应电流的产生条件

关于本节内容，教材设计了3个探究实验：1演示实验和2个学生实验.在实际教学中，由于受学校实验室资源、课时等因素的限制，大多数教师在处理本节课的实验时通常选择演示实验辅助课堂教学.考虑到学生在初中对于感应电流已经具备了一定认识：知道在闭合回路中的导体做切割磁感线运动能够产生感应电流，教材正是将学生的感性认识作为认知起点，这3个实验侧重点均不同，步步引导学生观察、深入理解电磁感应现象，将学生的思维逐步引向感应电流形成的根本原因：闭合回路的磁通量发生变化.

本实验系统为了将一闪而过的感应电流完整地捕捉再现，在LabVIEW前面板上将感应电流随时间连续变化的过程以波形图的形式显示，将抽象的电磁感应现象图形化，给学生最直观的体验.主要程序即信号采集区采集感应电流的实时产生过程，通过U-T图像以波形图的方式显示出来，并同时调用LabVIEW软件中的origin.vi子vi函数，设计能够直接读取实验数据的程序，利用Origin软件中的读数光标，方便、准确地读取条形磁铁穿过线圈时产生的瞬时感应电动势的大小，该部分程序框图如图3所示.

图3 信号采集区程序框图

实验1：闭合电路的部分导体切割磁感线

本文沿用教材中的实验装置，将原来接入导体线圈两端的检流计替换为NI myDAQ来测量感应电流，实验装置如图4所示.

同时启动LabVIEW编写的采集程序，在计算机屏幕上显示出采集到的感应电流的电压波形.通过探究发现，当导体线圈沿着水平方向向左或者向右运动时，屏幕上的电流采集图像中发生了明显的起伏，在线圈中产生的感应电流如图5所示；当导体线圈沿平行于磁场方向向上或者向下运动时，电压波形图保持稳定，没有发生起伏，此时线圈中没有感应电流产生.

图4 替代后装置图

图5 线圈产生的感应电流

实验2：向线圈中插入磁铁和把磁铁从线圈中拔出

实验2装置如图6所示.在闭合螺线管两端接上NI myDAQ测量感应电流，通过实验发现，将条形磁铁的某个磁极插入线圈或者从线圈中抽出时，能够采集到感应电流的波形.

图6 螺线管接上NI myDAQ实验图

当把条形磁铁静止地放在线圈中，即二者之间没有发生相对运动时，没有感应电流产生.在此实验的基础上，可以改变条形磁铁相对于线圈运动的速度，引导学生观察屏幕上如图7所示电流波形图的起伏程度，速度越快，采集到的电压信号的最大值也越大，为接下来的法拉第电磁感应定律的教学做铺垫.

图7 感应电流波形

实验3：法拉第大、小线圈实验

实验3的装置如图8所示.根据教材内容，我们采用自制实验教具，通过电源、开关、滑动变阻器与大线圈组成一个回路，小线圈套在大线圈中，同时把NI myDAQ连接在小圈两端采集其中的感应电流.

图8 自制教具实验装置图

由于该实验是在前两个实验的基础上设计的，也是模拟当初法拉第发现电磁感应现象的装置.在教学中，注意引导学生分析出这个实验装置实质上是由两个回路组成的，大线圈所在的回路在通电的瞬间，大线圈的作用就相当于一个条形磁铁，因此，可以通过增加一个滑动变阻器，通过改变其阻值来改变大线圈周围的磁场强弱.通过探究实验发现，在开关闭合和断开的瞬间能够采集到起伏明显的电流波形如图9所示；同时也发现，当开关闭合，迅速拨动滑动变阻器滑片，以及将小线圈从大线圈中插入、抽出时，都能实时测到小线圈中产生感应的电流如图10所示.

图9 开关开合瞬间电流

图10 调节滑片瞬间电流

通过以上3个探究实验可归纳出感应电流的产生条件：导体线圈在磁场中切割磁感线时，使得闭合回路包围的磁场面积发生改变；条形磁铁无论是插入还是拔出线圈时，二者之间发生的相对运动，改变了穿过线圈的磁场强弱；开关在断开或者闭合的瞬间、开关闭合后迅速移动滑动变阻器滑片瞬间，通过改变回路的电流大小从而改变穿过小线圈的磁场强弱，都能得到感应电流.由此归纳总结出：只要穿过闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就会有感应电流产生.

3 基于NI myDAQ的电磁感应教学体会

将以上实验装置系统应用到教学中，在整个教学过程中，并没有完全抛弃传统实验装置，而是在此基础上，通过引入数字化的实验设备，为学生创造一个良好的物理情境，“固化”了想要描述的电磁感应现象，对传统的演示实验起到一个验证、深化的作用.对于实验3，把传统的演示实验改造为学生实验，让学生亲自动手操作，在教师的引导下进行探究.既能调动课堂氛围，同时能促进师生互动，加深学生对实验现象的感知与理解.通过与传统的物理课堂进行对比，提出使用新型的数据采集器进行教学具有以下几点优势.

(1)将微弱的感应电流采集、放大，使得转瞬即逝的电磁感应现象能够实时纪录.在采集过程中，能够随时启动、停止采集过程，可以利用滚动轴回放观察电压信号的波形图，这种“以静制动”的技术将理性与感性相结合，直击教学重难点，有效帮助学生充分理解当闭合回路中的磁通量发生变化的瞬间产生了感应电流.

(2)暂态过程直观化，增强演示实验的教学效果.在应用传统的实验进行教学过程中，存在实验现象不明显，学生会感到归纳的实验结果有些牵强，可信度不高.该实验装置设计简单，操作起来并不复杂，教师利用此装置能够将实验现象实时投影显示在电子屏幕上，使得每个角落的学生都能清楚地看到实验结果，弥补了用检流计时的演示缺陷.

(3)激发学生的兴趣，开拓学生的科学视野和思维.在当前“核心素养”的背景下，引入该实验装置作为课堂设计的一大特色，通过新型的数据采集器直接将实验现象展示在学生面前，唤起学生对物理知识的新鲜感、对实验操作的好奇心，同时增加师生互动环节，将探究亲自交给学生，能够增强学生的参与感和体验性.

(4)辅助教师开展多样化教学，为传统的课堂注入新的活力.在教育信息化迅速发展的时代背景下，教师也在致力于不断提高信息素养.基于NI myDAQ的数据采集系统为教师提供了新的思路，鼓励教师通过变革技术手段，更新教学模式，推进信息技术与物理教学的创新融合.

4 结束语

在中学物理教学中，实验是一种重要的教学手段，引入新型数据采集设备的最大优势在于将这种瞬间变化的物理量直观地呈现出来，能够改善传统演示实验的不足之处.本实验系统LabVIEW程序的可复制性较强，不仅能用来探究本文论述的感应电流的产生条件，还能够验证楞次定律，以及将定性演示向定量探究作进一步深化拓展，用来定量探究法拉第电磁感应定律，能够充分发挥这种实验系统的优势，具有很好的推广使用价值.