利用數字化實驗系統進行物理實驗的體會

王文祥

唐山師范學院玉田分校 河北唐山 064100

利用數字化實驗系統進行物理實驗的體會

王文祥

唐山師范學院玉田分校 河北唐山 064100

物理學是以實驗為基礎的一門學科，在信息化迅速發展的今天，信息技術與物理實驗教學的整合顯得尤為重要。數字化信息系統（Digital Information System，簡稱DIS）實驗室，可使物理實驗教學煥然一新。筆者有幸接觸到DIS實驗室，并用它完成幾個實驗，下面談幾點體會。

1 DIS簡介

DIS是由計算機、配套軟件、數據采集器、一系列傳感器和常規實驗儀器構成的新型實驗系統。傳感器有壓力傳感器、距離傳感器、時間傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、電壓傳感器、電磁感應傳感器、光照度傳感器等多種，它是將非電學量（如位移、速度、壓力、溫度、濕度、流量、聲強、光照強度等）轉化成易于測量、傳輸、處理的電學物理量（如電壓、電流、電阻、電容）的一種元件，即非電物理量→傳感器→電學量。它是感知、獲取和檢測信息的窗口，全系列的物理量傳感器的功能超越了電壓表、電流表、數字毫秒表、溫度計、測力計、壓強計、光強計、磁強計、聲響計、測距儀等傳統測量儀器。DIS通過多種專用傳感器與數據采集器相配合完成相關物理量的采集、處理，然后上傳到計算機，由實驗專用教學軟件進行實時處理分析，形象、直觀地表達出實驗結果。

2 DIS在物理實驗中的優勢

2.1 數據采集的優勢

DIS的各種傳感器靈敏度較高，采集數據的頻率可隨意選擇。對于那些運動過程非常快的實驗（如自由落體運動、電磁感應等），用傳統方法不能實時采集到數據，而DIS則完全可以實現，學生可在大屏幕上隨時看到采集到的某些物理量的實驗數據及其與其他量的變化關系。

例如在電磁感應現象的研究中，當條形磁鐵迅速插入或迅速拔出螺線管時，觀察、測量產生的感應電流的大小，若用傳統的實驗方法，即將靈敏電流計與螺線管組成閉合回路，只能看到表針擺到某一刻度，再迅速回擺到0刻度；若用DIS完成該實驗，使用微電流傳感器，不僅能采集到各瞬時感應電流的大小、方向，還能看到感應電流隨時間的變化關系。實驗圖線如圖1所示。

表1 單擺實驗數據

2.2 增大實驗可見度的優勢

有些實驗用傳統儀器進行時可見度很小，實驗測量的直觀性受到影響。DIS在該方面存在較大的優勢。例如，傳統的溫度計、電流表、電壓表、測力計其可見度均比較小，若改用DIS的溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器進行實驗，采集到的數據實時地顯示在屏幕上，全班學生均能看到實驗數據，大大提高實驗的可見度。如圖2所示為“摩擦力做功改變內能”的實驗圖線。

2.3 迅速處理數據的強大優勢

有些實驗在數據處理方面需要進行繁瑣的計算，如牛頓第二定律、單擺、機械能守恒、動量守恒等實驗，若用傳統實驗方法進行實驗，都需要繁瑣的計算才能得到實驗規律；若用DIS系統中應用的實驗模板，完全可以解決計算問題，只要實驗完畢，實驗處理隨時進行，實驗規律馬上得到。如表1和圖3、圖4所示是“單擺”實驗的數據和圖像。

3 DIS在物理實驗方面的缺陷

1）實驗者在進行實驗之前，必須花費較長的時間熟悉DIS系統軟件的使用方法，才能熟練地完成傳感器的設置、數據采集、數據分析、實驗結果的保存等工作，確保實驗的順利完成。

2）由于DIS可自動完成數據的采集、處理過程，無形中剝奪了實驗者一些操作的機會，不利于學生實驗動手能力、數據處理能力的培養。

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.12.093