基于NI my DAQ實現物理信號的動態采集*
——以電磁感應實驗教學為例

曾 斌(廣東實驗中學 廣東 廣州 510375)陳心璐(佛山市順德區桂洲中學 廣東 佛山 528305)

NI myDAQ是一種低成本便攜式數據采集設備，利用USB總線與計算機上的LabVIEW軟件配合通信，可以實現對物理信號的動態采集與測量，并進行分析.法拉第歷時10年揭示了“磁生電”的奧秘，看似簡單易懂的電磁感應現象實質是一種歷時極短、變化瞬間即逝的暫態過程.教材中的傳統演示實驗通常是利用檢流計來顯示閉合回路中感應電流的產生過程，通過指針的偏轉證明了感應電流的存在.但是，對于這一瞬間的變化過程，在實際教學中存在某些問題，比如由于持續時間較短或者產生的感應電流過于微弱，導致檢流計指針偏轉角度過小，學生只看到了檢流計指針的輕微晃動等.因此，僅憑借傳統的演示器材，也就是檢流計，無法使學生深刻認識到：當回路中磁通量變化時，感應電流也隨之發生一系列變化.為改善當前教學中存在的這一問題，筆者利用自制的實驗教具，將現代化的測量技術引入到教學中，使得這一暫態且是動態的電磁感應現象能夠“凝固化”.這樣通過改良，一方面改進演示實驗的效果，提高測量的精確度與實驗的直觀性，另一方面在提升實驗科學技術含量的同時，也加深了學生對電磁感應現象本質的理解與認識，激發學生對物理的學習興趣，提升學生的科學素養.

1 基于NI myDAQ的數據采集系統設計

作為NI“口袋實驗室”系列針對測試測量學習及應用的教學設備，myDAQ以其低成本、便攜性的優勢被引入高中課程教學.通過LabVIEW 程序，myDAQ可以進行模擬和數字信號的采集、測量和分析[1]，其采集系統結構圖如圖1所示.NI myDAQ為實驗系統提供了硬件環境，軟件采用廣泛使用的LabVIEW開發平臺，在這種“軟硬兼容”的環境下借助計算機實現對實際信號的動態采集.

圖1 基于LabVIEW及DAQ的數據采集系統結構

LabVIEW軟件功能強大，它采用的是簡單易懂的圖形化編程語言.本實驗系統為了將一閃而過的感應電流完整地捕捉再現，在LabVIEW前面板上將感應電流隨時間連續變化的過程以波形圖的形式顯示，將抽象的電磁感應現象圖形化，給學生最直觀的體驗，有利于幫助學生理解電磁感應產生的條件.

NI myDAQ是由美國NI公司開發的一種低成本便攜式數據采集和數據輸出設備，配有USB即插即用接口，可與計算機相連, 可針對各種測量進行快速方便的采集和顯示,方便控制信號的輸入輸出.通過與計算機上的NI LabVIEW軟件配合使用，使得測量更加現代化與數字化.圖2所示是NI myDAQ的外觀，該采集卡帶有 2 個模擬量輸入(analog input，AI)端口、2 個模擬輸出( analog output，AO) 端口、8 個數字輸入 /輸出( data input and output，DIO) 端口、± 15 V 和5 V電壓端口 、2 個模擬接地 ( analog ground，AGND ) 和1 個數字接地 ( data ground，DGND ) 端口 .2 組 AI 通道可被配置為通用高阻抗差分電壓輸入或音頻輸入； AO 通道可被配置為通用電壓輸出或音頻輸出，也可作為數模轉換通道使用；8 個 DIO 通道中，每個通道內部連接一個可編程函數接口 ( programmable functioninterface，PFI ) ；15 V電源可作為電源模擬組件，+5 V 可作為電源數字組件.

圖2 NI myDAQ外觀

2 教學實例——探究感應電流的產生條件

關于本節內容，教材設計了3個探究實驗：1演示實驗和2個學生實驗.在實際教學中，由于受學校實驗室資源、課時等因素的限制，大多數教師在處理本節課的實驗時通常選擇演示實驗輔助課堂教學.考慮到學生在初中對于感應電流已經具備了一定認識：知道在閉合回路中的導體做切割磁感線運動能夠產生感應電流，教材正是將學生的感性認識作為認知起點，這3個實驗側重點均不同，步步引導學生觀察、深入理解電磁感應現象，將學生的思維逐步引向感應電流形成的根本原因：閉合回路的磁通量發生變化.

本實驗系統為了將一閃而過的感應電流完整地捕捉再現，在LabVIEW前面板上將感應電流隨時間連續變化的過程以波形圖的形式顯示，將抽象的電磁感應現象圖形化，給學生最直觀的體驗.主要程序即信號采集區采集感應電流的實時產生過程，通過U-T圖像以波形圖的方式顯示出來，并同時調用LabVIEW軟件中的origin.vi子vi函數，設計能夠直接讀取實驗數據的程序，利用Origin軟件中的讀數光標，方便、準確地讀取條形磁鐵穿過線圈時產生的瞬時感應電動勢的大小，該部分程序框圖如圖3所示.

圖3 信號采集區程序框圖

實驗1：閉合電路的部分導體切割磁感線

本文沿用教材中的實驗裝置，將原來接入導體線圈兩端的檢流計替換為NI myDAQ來測量感應電流，實驗裝置如圖4所示.

同時啟動LabVIEW編寫的采集程序，在計算機屏幕上顯示出采集到的感應電流的電壓波形.通過探究發現，當導體線圈沿著水平方向向左或者向右運動時，屏幕上的電流采集圖像中發生了明顯的起伏，在線圈中產生的感應電流如圖5所示；當導體線圈沿平行于磁場方向向上或者向下運動時，電壓波形圖保持穩定，沒有發生起伏，此時線圈中沒有感應電流產生.

圖4 替代后裝置圖

圖5 線圈產生的感應電流

實驗2：向線圈中插入磁鐵和把磁鐵從線圈中拔出

實驗2裝置如圖6所示.在閉合螺線管兩端接上NI myDAQ測量感應電流，通過實驗發現，將條形磁鐵的某個磁極插入線圈或者從線圈中抽出時，能夠采集到感應電流的波形.

圖6 螺線管接上NI myDAQ實驗圖

當把條形磁鐵靜止地放在線圈中，即二者之間沒有發生相對運動時，沒有感應電流產生.在此實驗的基礎上，可以改變條形磁鐵相對于線圈運動的速度，引導學生觀察屏幕上如圖7所示電流波形圖的起伏程度，速度越快，采集到的電壓信號的最大值也越大，為接下來的法拉第電磁感應定律的教學做鋪墊.

圖7 感應電流波形

實驗3：法拉第大、小線圈實驗

實驗3的裝置如圖8所示.根據教材內容，我們采用自制實驗教具，通過電源、開關、滑動變阻器與大線圈組成一個回路，小線圈套在大線圈中，同時把NI myDAQ連接在小圈兩端采集其中的感應電流.

圖8 自制教具實驗裝置圖

由于該實驗是在前兩個實驗的基礎上設計的，也是模擬當初法拉第發現電磁感應現象的裝置.在教學中，注意引導學生分析出這個實驗裝置實質上是由兩個回路組成的，大線圈所在的回路在通電的瞬間，大線圈的作用就相當于一個條形磁鐵，因此，可以通過增加一個滑動變阻器，通過改變其阻值來改變大線圈周圍的磁場強弱.通過探究實驗發現，在開關閉合和斷開的瞬間能夠采集到起伏明顯的電流波形如圖9所示；同時也發現，當開關閉合，迅速撥動滑動變阻器滑片，以及將小線圈從大線圈中插入、抽出時，都能實時測到小線圈中產生感應的電流如圖10所示.

圖9 開關開合瞬間電流

圖10 調節滑片瞬間電流

通過以上3個探究實驗可歸納出感應電流的產生條件：導體線圈在磁場中切割磁感線時，使得閉合回路包圍的磁場面積發生改變；條形磁鐵無論是插入還是拔出線圈時，二者之間發生的相對運動，改變了穿過線圈的磁場強弱；開關在斷開或者閉合的瞬間、開關閉合后迅速移動滑動變阻器滑片瞬間，通過改變回路的電流大小從而改變穿過小線圈的磁場強弱，都能得到感應電流.由此歸納總結出：只要穿過閉合回路的磁通量發生變化，閉合回路中就會有感應電流產生.

3 基于NI myDAQ的電磁感應教學體會

將以上實驗裝置系統應用到教學中，在整個教學過程中，并沒有完全拋棄傳統實驗裝置，而是在此基礎上，通過引入數字化的實驗設備，為學生創造一個良好的物理情境，“固化”了想要描述的電磁感應現象，對傳統的演示實驗起到一個驗證、深化的作用.對于實驗3，把傳統的演示實驗改造為學生實驗，讓學生親自動手操作，在教師的引導下進行探究.既能調動課堂氛圍，同時能促進師生互動，加深學生對實驗現象的感知與理解.通過與傳統的物理課堂進行對比，提出使用新型的數據采集器進行教學具有以下幾點優勢.

(1)將微弱的感應電流采集、放大，使得轉瞬即逝的電磁感應現象能夠實時紀錄.在采集過程中，能夠隨時啟動、停止采集過程，可以利用滾動軸回放觀察電壓信號的波形圖，這種“以靜制動”的技術將理性與感性相結合，直擊教學重難點，有效幫助學生充分理解當閉合回路中的磁通量發生變化的瞬間產生了感應電流.

(2)暫態過程直觀化，增強演示實驗的教學效果.在應用傳統的實驗進行教學過程中，存在實驗現象不明顯，學生會感到歸納的實驗結果有些牽強，可信度不高.該實驗裝置設計簡單，操作起來并不復雜，教師利用此裝置能夠將實驗現象實時投影顯示在電子屏幕上，使得每個角落的學生都能清楚地看到實驗結果，彌補了用檢流計時的演示缺陷.

(3)激發學生的興趣，開拓學生的科學視野和思維.在當前“核心素養”的背景下，引入該實驗裝置作為課堂設計的一大特色，通過新型的數據采集器直接將實驗現象展示在學生面前，喚起學生對物理知識的新鮮感、對實驗操作的好奇心，同時增加師生互動環節，將探究親自交給學生，能夠增強學生的參與感和體驗性.

(4)輔助教師開展多樣化教學，為傳統的課堂注入新的活力.在教育信息化迅速發展的時代背景下，教師也在致力于不斷提高信息素養.基于NI myDAQ的數據采集系統為教師提供了新的思路，鼓勵教師通過變革技術手段，更新教學模式，推進信息技術與物理教學的創新融合.

4 結束語

在中學物理教學中，實驗是一種重要的教學手段，引入新型數據采集設備的最大優勢在于將這種瞬間變化的物理量直觀地呈現出來，能夠改善傳統演示實驗的不足之處.本實驗系統LabVIEW程序的可復制性較強，不僅能用來探究本文論述的感應電流的產生條件，還能夠驗證楞次定律，以及將定性演示向定量探究作進一步深化拓展，用來定量探究法拉第電磁感應定律，能夠充分發揮這種實驗系統的優勢，具有很好的推廣使用價值.