D I S系統(tǒng)在物理演示實驗中的作用

佟 蕾

（渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121000）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，一種以計算機、傳感器和數(shù)字采集器為主的DIS（Digital Information System）數(shù)字化信息系統(tǒng)正在逐步走進(jìn)中學(xué)物理課堂，服務(wù)于課堂教學(xué)。DIS系統(tǒng)是利用電腦做終端，通過連接數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和傳統(tǒng)儀器共同完成物理量的測量，觀察物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，是新一代智能化實驗教學(xué)儀器，其工作原理如圖1。與傳統(tǒng)的實驗儀器相比較，它有很多優(yōu)勢，例如測量精度高，處理速度快，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)豐富，圖像形象生動，不僅節(jié)省了大量的課堂教學(xué)時間，還可以拓展課外實驗，激發(fā)了學(xué)生對物理實驗的興趣和創(chuàng)新意識。[1,2]DIS系統(tǒng)可以說是信息技術(shù)與物理實驗的完美結(jié)合。本文就幾個演示實驗的案例來介紹DIS系統(tǒng)在物理演示實驗中的作用。

圖1 DIS系統(tǒng)工作原理圖

1 動態(tài)實驗過程，深入理解概念

DIS系統(tǒng)不僅可以完成所有傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，而且實驗過程更為簡便、直觀，特別是其動態(tài)的展示實驗過程，即時輸出實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生可以觀察所得圖像，分析圖像特征，總結(jié)物理規(guī)律，能幫助學(xué)生更好的理解物理概念和物理規(guī)律。

如傳統(tǒng)演示實驗中驗證牛頓第三定律，通常選兩只彈簧測力計，然后互相對拉，看兩個測力計的示數(shù)是否相同。在實驗過程中學(xué)生無法同時觀看兩個側(cè)力計的讀數(shù)，這樣就給實驗帶來了偶然誤差，同時傳統(tǒng)實驗無法展示作用力和反作用力的動態(tài)變化關(guān)系。而利用DIS系統(tǒng)的力傳感器，設(shè)置兩個通道，用正負(fù)表示方向，可以形象的表現(xiàn)出作用力和反作用力的動態(tài)變化關(guān)系，如圖2。

圖2 作用力和反作用力圖像

2 實驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，處理方式多樣

DIS系統(tǒng)中的傳感器包括力、運動、電流、電壓、壓強、溫度、聲、磁等十多種，可測量的物理量十分豐富。除了傳統(tǒng)儀器可以測量的力、電等物理量，還有一些是傳統(tǒng)儀器無法測量的，如聲波、磁場等。同時實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的傳感器分辨率高，而且有多個量程，如溫度傳感器的分辨率為 0.01°C，量程-50°C～+250°C；雙量程電壓傳感器分辨率為1mV/0.01V，量程-1.5V～+1.5V/-15V～+15V等。采集周期最短為 20μs，頻率達(dá)到 104Hz。

在數(shù)據(jù)顯示方面，在計算機上對于連續(xù)采集的數(shù)據(jù)有圖像、表頭或數(shù)據(jù)三種不同的數(shù)據(jù)顯示方式；同時可以對生成的曲線擬合公式，用于數(shù)據(jù)分析。

如用DIS系統(tǒng)研究通電螺線管內(nèi)部的磁場。將磁傳感器置于通電螺線管的一端，然后沿軸線方向勻速進(jìn)入，得到其內(nèi)部磁感應(yīng)強度隨時間變化的圖像（圖3）。通過圖像可以得出以下結(jié)論：(1)螺線管內(nèi)部磁場是呈對稱分布，中間部分磁場最強，兩端磁場較弱；(2)螺線管中間部分可以近似為勻強磁場。

圖3 B-t圖像

圖4 B-I圖像

3 節(jié)約操作時間，利于深入討論

DIS系統(tǒng)操作簡單，只要對該系統(tǒng)進(jìn)行簡單的了解，從實驗操作到軟件操作，都很容易完成。在實驗過程中可以對實驗數(shù)據(jù)實時采集、處理、繪圖、存儲以及打印過程。下表列舉了幾種常見的物理演示實驗用兩種不同方法在數(shù)據(jù)處理時間上的比較，DIS實驗的時間包含了曲線擬合函數(shù)和公式運算的時間。

表1 傳統(tǒng)實驗和DIS實驗數(shù)據(jù)處理時間對比

以上數(shù)據(jù)表明，利用DIS系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)實驗節(jié)省70%以上的時間，同時減少實驗的偶然誤差。利用DIS系統(tǒng)演示實驗，一方面使得一些實驗周期較長，不適合作為演示實驗的題目順利進(jìn)入課堂教學(xué)，另一方面節(jié)省的時間留給師生對實驗結(jié)果以及相關(guān)問題進(jìn)行深入的交流和討論，可以有更多的時間開展探究式教學(xué)。

4 激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

高中階段的物理課程要給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機會，讓學(xué)生通過自己思維、動手實驗、查閱文獻(xiàn)等，體驗探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展科學(xué)探究的能力，增強對科學(xué)探究的理解。[3]傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程是教師的講解和學(xué)生的重復(fù)，內(nèi)容毫無新意，同時經(jīng)典物理內(nèi)容與現(xiàn)代高端的科技手段相脫節(jié)，無法吸引學(xué)生興趣。

與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗則更加側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究的能力以及創(chuàng)新意識。利用DIS系統(tǒng)，設(shè)計新穎的實驗，與實際生活聯(lián)系，可以讓學(xué)生在實驗中獲得成就感，產(chǎn)生進(jìn)一步探究的興趣。[4]例如，用長導(dǎo)線與微電流傳感器相連，使導(dǎo)線位于東西方向在空中搖動導(dǎo)線，計算機顯示出導(dǎo)線中通有交流電，這正是由于導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電流。實驗中將看不見的地磁場的磁感應(yīng)線通過計算機數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的高能力。通過看到這個現(xiàn)象還可以讓學(xué)生進(jìn)一步改變導(dǎo)線的方向，通過不同的結(jié)論得到地磁場的確切方向，然后深入到理論的學(xué)習(xí)。

從以上實例中可以看出，在物理演示實驗教學(xué)過程中加入新型的DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)，既充分發(fā)揮了現(xiàn)代技術(shù)對于物理教學(xué)中的作用，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動手能力和操作意識，可以縮短我國與先進(jìn)國家實驗教學(xué)儀器上和教育理念上的差距，復(fù)合我國實驗教學(xué)改革方向。

［1］文林，李會.基于 DIS 的超重失重實驗研究[J].科技信息，2013(21)：47-48.

［2］王勁存，仲扣莊.用DIS探究影響滑動摩擦力的因素[J].物理實驗，2010，30(5):25-26.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中·物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003，56.

［4］楊利平，淺談DIS實驗系統(tǒng)的應(yīng)用與學(xué)生創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代物理知識，2010，22(6)：40-42.