例谈“数字化实验系统”在物理课堂教学中的应用VIP免费

例谈“数字化实验系统”在物理课堂教学中的应用吴思平摘要：数字化实验系统是以传感器及计算机为核心器件的实验体系，克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，为传统物理实验提供了新的工具和手段。本文以《超重与失重》这节课为例，对数字化实验系统与课堂教学的结合做一尝试与探索。关键字：数字化实验系统；传感器；实验；超重与失重一、数字化实验系统简介随着新课程改革的推进，一种以传感器和计算机为基础，实现了信息技术与实验教学整合的新型实验模式——数字化实验系统应运而生。去年笔者所在学校引进了整套的数字化实验系统，其基本系统结构为“传感器+数据采集器+计算机”，以一系列传感器替代了传统的测量仪器，能够完成力、热、声、光、电、位移、磁感强度、等多种物理量数据的采集。传感器数据通过四通道采集器处理后上传到计算机，由专用软件进行实时的处理与分析，能够更加清晰、明确地展示现象，揭示规律。与传统实验手段相比，数字化实验系统在两个方面有大的变化：在数据测量环节上，利用高灵敏度的传感器，能够实时、准确地获得整个实验过程中的相关实验数据，提供比传统实验测量方法高得多的数据精确性，保证实验的成功；在数据处理环节上，利用专用软件的强大数据处理能力，采集到的数据还可以以图表、仪表、示波器等形式显示，同时支持对实验结果的线形、曲线、二次、高次曲线分析。用户可以自定义变量和表达式，可完成包括函数在内的复杂运算，大大节省传统实验数据的记录、计算、分析的时间。这样一套实验系统，如果能够将其引入到课堂中，将为物理教学注入新的活力。下面以《超重与失重》这节课为例，对这种尝试做一分析和探讨。二、教学实例在上《超重与失重》这节课时，以往教师在做超重和失重的演示实验一般有以下两种方式，但效果都不甚理想。1、用弹簧测力计挂上一个重物，向上做加速运动，观察加速瞬间测力计的读数变化。在实际教学活动中，由于加速过程运动快、时间短，实验现象转瞬即逝，学生根本看不清弹簧测力计示数，更谈不上记录下数据，提供给学生作为分析的依据。2、使用动画课件，利用多媒体手段虚拟物体运动过程中的超重和失重现象，这种方式虽然能够让学生比较清晰地观察超重和失重现象，但没有以具体实验操作为基础，缺乏真实感和可信度，会让学生产生“假”的感觉。数字化实验系统的出现为我们提供了一种新的手段，下面简述如何利用力传感器和位移传感器的组合来完成“超重与失重”的演示和探究。实验装置：将勾码挂于力传感器的下端，调节位移传感器探测头方向朝上使其能够测量物体在竖直方向上的运动情况，并将位移传感器置于勾码的正下方（如图1）。实验操作：使勾码从静止开始向上运动，先加速后减速并再次达于静止。在计算机上就能立刻得到实验数据。可多次重复这一实验过程，获得多组测量数据。图1超重与失重实验装置图探究分析：从测量的多组数据中选择现象明显的一组数据进行分析。1．根据由计算机给出的勾码的“位移—时间”图像和“速度—时间”图像（如图2），引导学生分析物体的运动情况：0—0.5s物体速度为0，位置不变，说明物体处于静止状态；从“位移—时间”图像可以看出0.6—1.1物体始终向上运动；从“速度—时间”图像可以看出0.6—0.75s物体向上加速运动，0.75—1.1s物体向上减速运动。2．根据力传感器所获得“拉力—时间”图像（如图3），引导学生分析不同时段物体的受力情况：0—0.4s物体受到的拉力为0.5N；0.4—0.75s物体受到的拉力大于0.5N；0.75—1.1s物体受到的拉力小于0.5N。图2超重与失重的“速度—时间”图像3．将位移传感器所获得的“速度—时间”图像和力传感器所获得“拉力—时间”图像的上下并排，使用相同的时间轴进行对比分析（如图3），引导学生将物体各时间段内的运动情况和受力情况进行列表（如表1）对比，让学生进行思考和讨论。表1：受力与运动的关系时间0—0.4s0.6s—0.75s0.75s—1.1s运动情况静止向上加速向上减速加速度方向0向上向下拉力=0.5N>0.5N<0.5N让学生用刚刚学习的牛顿第二定律对现象进行解释：静止时T=mg可得mg=0.5N向上加速T-mg=maa>0可得T>mg向上减速T-mg=maa<0可得T