用數字化實驗系統測量滑輪組的機械效率

王成友

摘 要：數字化實驗作為一種新的教學方式和新型課程資源，以學生的真實實驗為基礎，用傳感器進行實驗數據的測量，通過計算機對實驗數據進行處理，實現了信息技術與初中物理課程的有效整合.筆者嘗試用拉力傳感器測量滑輪組的機械效率，用數字化實驗系統對傳統實驗進行改進.

關鍵詞：數字化實驗系統；傳感器；滑輪組；機械效率

今年3月，我校建成了兩個數字化探究實驗室——物理和化學各一個，物理實驗室配備有15套數字化實驗系統、數字化演示實驗器材和一套VR，可以開展系列數字化物理實驗，如：測量小車速度、研究液體吸熱實驗、摩擦力實驗、作用力與反作用力實驗、浮力定律、電阻定律實驗、常規電學實驗等.極大地改善了我校的實驗條件，為我校物理、化學和生物教學提供了較好的實驗環境和課程資源.本文以“測量滑輪組的機械效率”為例，探索數字化實驗系統在初中物理教學中的應用.

一、數字化實驗系統簡介

1.數字化實驗系統的組成

數字化實驗系統是以真實實驗為基礎，通過傳感器替代傳統的儀表，將采集到的實驗數據通過接口設備交由數據處理器（如計算機、圖像計算器、平板電腦等），經過分析處理，從而能夠更加清晰、明確地展示現象，揭示科學規律.數字化實驗系統既是對傳統理科實驗教學的有效補充，又是對傳統理科實驗教學的變革.數字化實驗系統主要由傳感器、接口設備和數據處理器組成的多功能測量系統，系統運作模式如圖1所示.

系統各組件功能說明：傳感器用來快速、高精度適時采集科學實驗中各種數據；接口設備接受來自傳感器的數據并輸入計算機，能夠同步記錄模擬和數字信號，具有極高的采樣率；數據處理器是整個數字化實驗系統的核心，具有數據采集、計算、分析及實驗結果展示等功能.數據處理器具有智能工具、曲線擬合、計算器、選定統計、坐標變換、設置值、任務清除、數據/圖形、智能儀器顯示等功能.例如， “數據/圖形”可用來存儲、編輯、打印，并可轉存為 Excel/ Word文檔進行處理，方便學生完成實驗報告；“曲線擬合”可以實現從最基本的線性擬合到自定義擬合.

2.數字化實驗系統的優勢

（1）數字化實驗系統的功能十分強大，提高了教學效率

數字化實驗系統含有硬件和數字化實驗室專用軟件.它發揮了傳感器和計算機的優勢，實現了高精度、高速度和自動化測量，采集到多種完整、動態的信息，并且能夠對實驗數據作出多維的、綜合性的分析處理.這樣就把教師和學生從繁瑣的、重復性的勞動中解放出來，集中精力于設計實驗方案、歸納總結、交流信息和從中發現規律.通過傳感器快速而高精度地完成力、熱、聲、光、電等各類實驗中數據的實時采集，并由計算機完成數據處理、計算、分析來展示真實的實驗結果，使教學輕松而高效.

（2）創新教學手段，促進信息技術與課程的全面整合

“信息技術應包括：現代感應技術、通訊技術、計算機智能技術和控制技術.”科技的進步必然促進教育的發展，近年來信息技術的飛速發展，給教育教學領域帶來翻天覆地的變化，新型的教學設備提供了全新的教學手段，開拓了全新的視野，更產生了全新的成果，其中信息技術與學科教學的整合已經成為世界教育領域發展的潮流.

科學的本質是探索真理和發現真理，但是由于種種原因，信息技術與課程的整合一直停留在比較膚淺的層面上，數字化實驗系統的出現從根本上解決了這一問題，它從初中物理教學的重要環節——實驗入手，通過數字化的實驗設備去解決初中物理教學中的問題，不僅提高了教學效率，解決了教學難題，更進一步培養了學生的動手能力和探究精神.

（3）更新教學理念，適應新課程和“互聯網+”時代的需要

現代教育的理念是不僅要使學生獲得一定的知識和技能，更要通過學習過程養成科學的思維和研究方法，還要形成正確的情感、態度和價值觀.新課程提倡全面發揮學生的主動性，使學生較為深入地學習物理、化學、生物實驗的有關理論、方法和技能，進一步提高學生的實驗素養.主要表現為，激發學生實驗探究的興趣，增強學生的創新意識，培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度，養成交流與合作的良好習慣，發展學生的實踐能力等方面.

新課程標準要求學生通過強化實驗方案的自我設計，深入對實驗過程和實驗誤差分析，重視對實驗方案和實驗結果評估.而數字化實驗系統在激發學生興趣，促進師生對實驗過程探究、實驗誤差分析、實驗結果評估等方面顯然具有傳統實驗設備無法超越、無可比擬的優勢.

二、用數字化實驗系統測量滑輪組的機械效率

數字化實驗系統在初中物理教學的常規教學創新、傳統實驗改進、科學探究深入等方面具有很廣闊的應用前景.例如，用拉力傳感器和“SenseDisc iLab數字化實驗系統”軟件，即可改進“測量滑輪組的機械效率”實驗.

1.用彈簧測力計測量滑輪組的機械效率

《義務教育物理課程標準》對機械效率的要求是：“知道機械效率.了解提高機械效率的途徑和意義.測量某種簡單機械的機械效率.”滑輪組的機械效率通常用彈簧測力計和刻度尺測量，所用裝置如圖2所示，需要測出拉力F、拉力移動的距離s、提升的鉤碼的重力G和鉤碼上升的高度h，然后計算滑輪組的機械效率.并改變鉤碼的重力和滑輪的重力進行多次測量，從而探究滑輪組的機械效率的大小與哪些因素有關.本實驗測量準確與否的關鍵是彈簧測力計必須沿豎直方向勻速向上拉動，才能準確測出拉力F的大小，從而較準確地測出滑輪組的機械效率，才能通過數據分析出影響滑輪組機械效率大小的因素.

但是，用彈簧測力計測量拉力F會出現以下問題：彈簧測力計很難實現勻速拉動，其示數不穩定，且彈簧測力計在運動中讀數，不易準確讀出拉力F的大小.利用拉力傳感器和數字化實驗系統來測量，即可解決以上問題.

2.用數字化實驗系統測量滑輪組的機械效率

（1）實驗裝置及器材：滑輪組一套（本例組裝成拉動滑輪的繩子段數為3的滑輪組，滑輪1重為024 N，滑輪2重為006 N，事先已用拉力傳感器測得）、鐵架臺、鉤碼一盒（每個鉤碼重為198N，事先已用拉力傳感器測得）、拉力傳感器、智能數字實驗盤、計算機等.實驗裝置如圖3所示，拉力傳感器可以準確測量拉力F的大小，并通過智能數字實驗盤傳輸給計算機，由計算機進行數據的處理和分析.

（2）實驗操作：

①搭建實驗：組裝滑輪組.將拉力傳感器與智能數字實驗盤相連，再將智能數字實驗盤用數據線與計算機相連.

②軟件設置：由于“數字化實驗系統”軟件中并沒有直接測量滑輪組機械效率的版塊，需要利用“公式編輯器”編輯滑輪組機械效率的計算公式（本例不再測量鉤碼上升的高度和拉力移動的距離，計算公式簡化為η=G3F）.公式編輯時，先添加鉤碼的重力G（作為變量添加），如圖4所示；再編輯添加機械效率的計算公式，如圖5所示.實驗時間設置為5秒，數據測量時間間隔為100毫秒，系統會自動記錄51次實驗數據.

③進行測量：

第一次用滑輪1提升1個鉤碼，用拉力傳感器拉動繩端豎直向上勻速上升，測出拉力大小，軟件自動記錄實驗數據；手動輸入重力（198N）后，系統自動計算出機械效率，如圖6所示為第30次至第51次實驗數據.將數據導出為Excel文件，在Excel文件中求取平均值為697159%，如圖7 所示.

第二次測量用滑輪1提升2個鉤碼的機械效率，求取平均值為814239%，測量結果如圖8所示.

第三次測量用滑輪2提升1個鉤碼，求取平均值為721431%，測量結果如圖9所示.

第四次測量用滑輪2提升2個鉤碼的機械效率，求取平均值為820594%，測量結果如圖10所示.

（3）實驗分析：實驗數據匯總如表1所示.

分析數據可得結論：對比1、2或3、4實驗數據可知，所用滑輪相同時，提升的鉤碼越重，滑輪組的機械效率越大；對比1、3或2、4可知，提升的鉤碼相同時，所用滑輪越輕，滑輪組的機械效率越大.

（4）與傳統實驗相比的優點：拉力由拉力傳感器連續測出51組數據，可判斷是否勻速拉動，實驗發現在誤差范圍內，拉力存在003N的波動，基本穩定；數據由計算機自動計算和處理，節約了課堂時間，提高了測量的精確度；通過數據發現了影響滑輪組機械效率的因素，有利于培養學生的探究能力和數據分析能力.

數字化實驗系統應用于初中物理教學，有利于初中物理新課程的推進，有利于傳統教育技術與“互聯網+”時代新的教育技術結合，必將深受學生和教師的歡迎.基于數字化實驗系統的初中物理教學也必將在常規教學創新、傳統實驗改進、科學探究深入三個應用層次上大有可為.

參考文獻：

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