利用數字化實驗系統重構實驗教學

徐海龍

(溫州中學 浙江 溫州 325000)

1 引言

新課程的實施，對物理教學提出了更高的要求，探究式教學要求學生用自己的眼睛去觀察自然，用自己的思維去剖析現象與數據，從而達成對自然規律總結與理解．這種探究式教學的過程，對物理實驗提出了更高的要求，許多物理概念和規律需要通過精確的實驗探究才能得到.現行新課標高中物理教材多處出現運用數字化實驗系統(DIS)進行實驗探究的課題，這不僅是實驗教學方式的變化，更是對新課程教學理念的貫徹和落實，使得物理教學回歸到認識自然本質的科學道路上來．因此教師在實施課程的過程中，依據課程標準，結合學科知識特點對既定的教材內容和實驗進行適度加工整合，充分利用數字化實驗系統進行實驗教學的重構，從而使之更好地適應具體的教育教學情景和學生的學習需求．

2 問題的提出

在新課標高中物理《選修3-1》(人教版)“電容器的電容”一節的學習中，教材用了抽象的文字配合示意圖對電容器的充放電進行描述，學生對于這個關鍵過程缺乏直觀感性的認識，從而造成認知障礙；另一方面，教材對電容這個重要物理量的引入更是基于條件限制只作了一般的敘述，學生理解更是困難重重．當然，教材編寫者注意到了這點，所以在“做一做”欄目中，介紹了使用DIS觀測電容器的放電曲線，這種借助計算機系統先進、直觀、正在科技領域得到廣泛應用的實驗方法對學生掌握現代科學研究方法具有重要的啟蒙意義．

但遺憾的是，教材設計的電路對觀察充放電過程的電流方向缺乏直觀感受，也沒有說明電路中的電阻應選多大的阻值，導致很多教師無法成功完成實驗，更沒有將計算機擁有強大的計算功能引入電荷量的計算中，而是仍然采用傳統“數格字計算面積”的粗略方法，這是對采用DIS進行實驗研究一種不全面的應用．為此，本文結合高中課堂教學實際，設計了詳實、簡便而高效的實驗電路示教板，并具體介紹了DIS系統采集數據后的后續處理，從而讓學生直觀感性地觀察到實驗現象，進而更深刻認識到電容器充放電規律及電容這個物理量的物理意義．

3 運用DIS實驗探究電容器充放電規律

3.1 實驗目的

了解電容器充放電過程中電流大小、方向的變化情況，探究哪個物理量能表征電容器儲存電荷本領的大?。?/p>

3.2 實驗器材

計算機1臺，DIS數據采集器1臺，電壓傳感器、電流傳感器各1個，紅、綠LED燈各1個，100 Ω的電阻1個，4700 μF的電容器1個，開關1個，學生電源1臺，導線若干．

圖1 DIS實驗原理圖

3.3 實驗原理與觀察準備

實驗電路如圖1所示，根據實驗原理圖自制的實驗示教板如圖2所示．向學生介紹電路，認識紅綠兩個LED燈指示電流方向的作用，認識DIS系統傳感器功能．

圖2 自制的1.5 m×0.8 m實驗示教板

3.4 實驗過程

(1)按電路原理圖接好電路，斷開開關，接入電源；

(2)先啟動DIS軟件的電壓傳感器和電流傳感器采集功能，再閉合開關；

(3)電源開始對電容器充電，觀察紅綠LED的發光情況；

(4)DIS系統同步采集電壓傳感器和電流傳感器的數據，每隔10 ms采集一次并記錄在實驗結果表格中；

(5)根據實驗數據，DIS系統同步繪出充電電流I隨時間t變化的I-t圖(圖3)；

圖3 DIS采集的電容器充電過程I-t曲線

(6)斷開開關，保存實驗結果并進行分析；

(7)移去電源，在原電源接線處用導線短接，閉合開關后以上述步驟研究電容器放電實驗．

3.5 實驗結果分析

(1)充電過程LED發光情況

引導學生觀察充電過程中紅色和綠色LED燈誰會發光，亮度怎么變化？依圖1所做實驗會發現紅色LED燈發光，表明充電電流呈順時針方向；接通開頭瞬間LED燈最亮，然后逐漸變暗直至熄滅.這表明電容器充電電流最初最大，然后逐漸減小，充電完畢后不再有充電電流．

(2)充電過程中I-t曲線反映充電電流大小的變化情況

再引導學生觀察DIS系統從電流傳感器得到電流數據描述而成的I-t圖，可以更直觀、更精確地理解電容器充電過程中電流的變化情況：電流從充電初始的最大值到充電完畢的零值非均勻地減?。?/p>

(3)充電后電容器兩端的電壓和電荷情況

接著讓學生觀察由電壓傳感器讀取的充電完畢后電容器兩端的電壓值，如圖3所示為5.9 V．表明電容器充電完畢后兩極板間的電壓保持一個穩定值，具有儲存電荷和電場能的本領．

向學生提出設問：當電容器充電完畢后，兩端電壓為5.9 V，此時電容器儲存了多少電荷量？因為數學方法欠缺的限制，學生對此問題的思考存在明顯的思維障礙，因此，教師有必要從特殊的、簡單的結論入手，推導出這種從電流I隨時間t非均勻變化圖像求電荷量的方法．

首先，向學生展示圖4所示的恒定電流.假設在電容器充電時是恒定電流并充電t0時間，要求思考電容器獲得的電荷量是多少？基于學生已經掌握的Q=I0t0公式，大家都能順利理解圖線與橫坐標包圍的面積即代表電容器獲得的電荷量(圖5)．

圖4 隨時間均勻變化的電流 圖5 計算隨時間均勻變化的

接著，再引導學生面對困難，通過實驗所采集到的數據表明，電容器充電電流是如圖3所示的隨時間非均勻變化的電流，那么它與橫坐標包圍的面積能否代表電容器獲得的電荷量呢？

這樣，學生就能成功突破思維障礙，水到渠成地引入微元法的數據處理方法來解決電容器充電后帶電荷量的問題.推導出電容器帶電荷量

Q=I1t1+I2t2+I3t3+…

并進一步理解圖中電流曲線與橫坐標所包圍的面積，即電容器兩極板所帶電荷量Q(圖6)．

圖6 電流曲線與橫坐標所包圍的

當前國內所開發的DIS實驗系統均有對選定區域求面積(求積分)的功能，因此，在學生經過探究認識到電流曲線與橫坐標所包圍的面積即電容器兩極板所帶電荷量Q后，直接經DIS求面積從而得到電容器充電后的帶電量Q．這樣既促進了學生的科學思維的發展，也讓他們認識到現代科學研究借助計算機系統的必要性．這種將嚴密的科學邏輯、創新的科學思維配合先進的計算方法相結合的研究方法是當前中學物理教育所缺失的，也是我們應當在高中物理教育教學中滲透的．

3.6 探究實驗數據背后的自然規律

在學生掌握了利用DIS系統觀察電容器充電過程充電電流的變化情況，并理解計算機系統通過計算I-t圖線與橫坐標包圍的面積，即電容器兩極板所帶電荷量Q的基礎上，改變不同的充電電壓重復多次實驗，得到一組充電完畢后電容器兩端電壓U與電容器所帶電荷量Q的實驗數據．

圖7 多次充電實驗電容器帶電量Q與兩極板電壓U的關系

最后，向學生展示兩個不同的電容器根據DIS實驗獲取的數據所繪制成的Q-U圖線(圖8)，然后引導學生展開討論：若要你來選一個儲存電荷本領更強的電容器，你會選擇哪個？選擇的理由是什么？

圖8 兩個不同的電容器根據DIS實驗

4 總結與反思

強調物理基本方法的掌握與基本過程的分析是很多中學物理教師的傳統，但輕實驗、重說教；輕學生自主探究、重教師引導展現的現象也普遍存在．更有奉傳統實驗手段與實驗方法為經典，輕視現代利用計算機技術處理實驗過程與實驗數據等先進方法的教師，這不僅有礙學生順利、透徹、直觀地了解物理這么最為生活的科學，更失去了一個奠定學生接受新事物、學會用發展的眼光看待事物、學會用先進的技術研究科學問題的機會．

因此，本文嘗試了以DIS實驗系統為基礎對實驗教學完成了重構，以學生自主探究為主要學習過程，以現代計算機技術為實驗數據處理工具，直觀地觀察了電容器充電過程中電流的變化情況，深入理解了電容器所帶電荷量Q與電容器兩極板電壓U的比值具有的物理意義，不僅順利化解了難點，更重要的是：學生受到了積極利用現代實驗儀器進行探索、使用現代計算工具進行實驗數據分析的科學研究啟蒙教育．

參考文獻

1 P.W.Zitzewiez著.錢振華，等譯.科學發現者.物理原理與問題.杭州：浙江教育出版社，2008

2 王駿.電容器電容的測量設計.中學物理教學參考，2002.5