數字化實驗系統在物理實驗中的應用

潘炳鋒

摘 要：數字化實驗系統是利用傳感器將實驗中獲得的模擬信號轉化為數字信號，通過數據采集器傳輸到計算機上，利用數據分析軟件，對數據進行分析處理，獲得實驗圖像和數據表格，以此來探究或驗證科學規律。

關鍵詞：數字化實驗系統；勻變速直線運動的速度-圖象關系；探究牛頓第三定律

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）05-117-02

計算機技術的發展給我們的中學實驗教學帶來了全新的變化。在以往的實驗教學中，我們常常帶領學生動手實驗，學生要操作實驗儀器，并及時記錄實驗數據，實驗完成后，還要整理數據表格，通過描點法繪出相應的圖像，這些過程費時費力，工作量相當大。

數字化實驗系統就是將傳感器技術、計算機技術與傳統實驗相結合，構成的全新的現代化實驗教學體系。這種實驗系統是依托傳感技術和計算機技術，在實驗中利用傳感器測量、采集接收各種實驗數據，并將數據實時輸入計算機進行處理和分析，最終在電腦顯示器上輸出實驗數據和圖像，最終達到能快速準確的總結出實驗結論的目的。

一、數字化實驗系統有以下幾部分組成：

1、傳感器：直接用于采集實驗數據。

2、數據采集器：連接傳感器與電腦，將傳感器采集的數據傳輸到電腦。

3、數據分析軟件：用于實驗的設計，數據記入、保存、分析、處理。

4、配套實驗器材：用于搭建實驗平臺，配合傳感器更好的完成實驗。

二、數字化實驗系統的連接方法：

硬件連接：將配套實驗器材搭建好，根據實驗需求把傳感器安置在實驗器材上；將傳感器與數據采集器連接；將數據采集器與計算機連接。

軟件設置：雙擊桌面的DIS數據分析軟件，點擊通用軟件，進入軟件界面，根據實驗需求進行軟件界面的設置。筆者經系統培訓和學習，將如下三個實驗進行實踐操作，現總結如下：

三、探究勻變速直線運動的速度與時間關系

實驗目的：探究勻變速直線運動中速度隨時間的變化規律

實驗器材：微型調節支架組件、多功能導軌、寬L型支架、動力學小車、光電門、緩沖器、滑輪架組件、鉤碼、細線、緊固件、采集器和計算機等。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將光電門傳感器如圖固定在導軌上。

2、用網線將位移傳感器與數據采集器連接；用USB線將數據采集器與計算機連接。

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進入實驗界面；

4、點擊“光電門設置”按鈕，對光電門進行設置，設置好后再選擇實驗類型：直線運動；測量方式：獨立測量；被測物理量：速度；擋光片類型：滑輪；其他選擇默認后點擊“完成”；點擊增加線按鈕，添加速度-時間圖線；

5、在速度-時間圖像上設置合適的采集時間（1分鐘）和采集間隔（0.1秒）后點擊開始按鈕，釋放小車，點擊開始按鈕，采集數據的同時繪出圖線；

6、實驗結束后點擊結束按鈕結束實驗。

實驗結果與分析：

做勻變速直線運動的物體，其速度隨時間變化的關系符合一次函數的關系，與速度公式 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、探究牛頓第三定律

實驗目的：探究作用力與反作用力的關系

實驗器材：計算機，數據采集器，數據線，USB線，作用力與反作用力的關系實驗器，2個力傳感器等。

實驗原理：根據牛三定律，作用力與反作用力大小相等，方向相反，且作用在同一直線上。此實驗器將2個力傳感器固定在一條直線上，形成作用力與反作用力的關系。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將2個力傳感器如圖固定；

2、用網線將2個力傳感器與數據采集器連接；用USB線將數據采集器與計算機連接；

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進入實驗界面；

4、點擊“公式編輯”，可以看到F1、F2分別代表力傳感器示數，在變量名中輸入F3，名稱輸入力，單位選擇N，類型選擇公式，輸入-F2，點擊增加；

5、點擊快速實驗，勾選F1，F3，建立“F1、F3-t”坐標關系，點擊傳感器校準按鈕，對力傳感器進行校準；

6、點擊“開始”按鈕，同時將滑板支架上的力傳感器拉或是推，直至實驗數據采集完成后，點擊“停止”按鈕。

實驗結果與分析：作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一條直線上，但不在同一物體上。

五、探究浮力的大小與排開液體重力的關系

實驗目的：探究浮力的大小與排開液體重力的關系

實驗器材：計算機，數據采集器，數據線，力傳感器、浮力定律實驗器實驗配套裝置等。

實驗原理：浸在液體里的物體受到豎直向上的浮力，浮力大小等于被物體排開的液體所受重力。

實驗裝置如右圖：

實驗步驟如下：

1、將實驗裝置如圖搭建，將力傳感器如圖固定；

2、用網線將力傳感器與數據采集器連接；用USB線將數據采集器與計算機連接；

3、雙擊實驗軟件，單擊教材通用軟件，點擊新建實驗，進入實驗界面，對力傳感器進行校準，掛上重物，記錄固定在鐵架臺上力傳感器的示數（例如3N）；

4、點擊“公式編輯”，增加變量h、單位cm，表示水沒過重物的高度；編輯公式V=3.14×（0.025）2×0.01×h（圓柱體的直徑：5cm），表示排開水的體積；編輯公式F=3-F1，表示重物受到水的浮力大小；編輯公式G=1000×V×9.8，表示重物排出液體的重量，編輯好后點擊“增加”；

5、點擊“增加線”按鈕，y軸設置為“浮力，排出液體的重力”，x軸設置為時間；調節升降臺，使配重塊逐步浸入水中，手動輸入h，點擊“手動采集”，記錄數據；

6、實驗結束后，生成實驗數據表格，比較浸在液體中的物體受到的浮力和被物體排開的液體的重力；

實驗結果與分析：

從左邊表格可以發現：浮力與排開水的重力基本相等；右側圖像：浮力與排開水的重力圖線基本重合。這樣，誤差允許范圍內，對浸入液體內的物體，受到液體的浮力等于該物體排開水的重力。

總之，采用數字化實驗系統后，實驗過程大大簡化，實驗時間大幅縮短，優點是不言而喻的，總結有以下幾點：

1、采用各種精準的傳感器，使采集到的數據更加精確。

2、由于采用互聯網技術和軟件技術，處理數據更加快速正確，并能根據需要，及時輸出數據和圖像，還能對圖像進行自由調節和進一步處理，這樣可以節約實驗時間，大大提高了課堂效率。

3、可以自由改變圖像的顯示方式。例如，在探究牛三定律時，我們只要編輯軟件中的公式，在編輯公式中增加F3這一變量，并將該變量設為F3=-F2，原來F2實驗圖像就會翻轉180度，與F1圖像對比后，使學生形象生動的觀察到兩個力大小相等，方向相反，充分體現了軟件的強大功能。

4、數據實現了無線傳輸和網絡共享。現在隨著科技的進步和發展，傳感器的類型更多，功能更強：從有線傳輸變成了無線傳輸；數據采集器還集成了顯示功能，預裝了數據分析和處理軟件Logger Pro3，使學生帶著傳感器和數據采集器就能完成了實驗，甚至還能將實驗數據和圖像通過WiFi傳給蘋果手機用戶，實現了數據的共享和傳輸，不得不感嘆現代科技之發達和高超。隨著計算機技術的高速發展，計算機的應用越來越廣泛，在我們的實驗教學中如果能引進先進的儀器和技術，無疑能極大的提高我們的實驗效果和課堂效率。

當然，事物都有兩面性，科技是一把雙刃劍，先進的科技在帶給我們方便的同時，也有幾個問題值得我們思考和探討：

1、采用數字化實驗系統做實驗，我們得先了解各種硬件的特點和連接方法，同時還要學習數字化實驗系統軟件的操作方法和使用技巧，這是要化時間進行培訓和學習的，對于學生來說，要求更高，化費的時間可能也更長。

我們物理新課程標準強調“過程和方法”，注重學生設計實驗、采集數據等多方面的能力培養，而數字化實驗系統將數據的采集、記錄和描繪等一系列步驟全都有計算機代替完成了，學生這些方面的能力可能得不到培養和發展。