现代实验技术
浅谈用数字化实验系统做高中物理实验
章仲裕
浙江省上虞市春晖中学 312353
摘 要 例谈了数字化实验系统在高中物理教学中的应用, 并提出数字化实验室应用的方式、效果和值得注意的问题。关键词 数字化实验技术 传感器 学生能力
随着课程教材改革的推进, 数字化实验进入课堂, 打造出了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。数字化实验以传感器和计算机为基础, 结合传统的实验仪器, 将实验数据采集之后用计算机进行分析处理, 通过数据图表和图像展示现象、揭示规律。从2005年起我们将传感器引入高中物理教学, 经过两年多的探索, 分别在力、磁、电、光教学中选取典型课例进行了实践。1 数字化实验技术在物理教学中的应用实例
图1
(1) 实现实验手段的数字化
在人教版必修 物理! (2) 第57页有一拱形桥题目:质量为m 的汽车在拱形桥上以速度V 前进。若桥面的圆弧半径为R , 则汽车通过桥最高点时对桥的压力? 如通过同样半径的凹形桥面时则压力变为多少呢? 这种题通过受力分析能够得出汽车过桥面压力, 但不能直接用数值来加以显示。而DIS 力传感器实验系统具有强大的动态作图功能, 它能以图像的表达方式呈现相关物理量的动态变化, 让学生接受真实的实验结果, 帮助学生实现概念的转变。实验装置如图1a 所示, 用小球替代汽车, 在下滑最高点与最低点分别安上力传感器。用手拿住小球在适当位置放手, 分别记录下小球通过最高点与最低点时力的数值(见图1b, 图1c) , 测出小球在上升(或下降) 两个拐点中与力传感器相连的力的大小随时间的变化关系。再将此段与小球总重量比较, 得出小球最高点力值小于上述总重量, 而最低点力值大于上述总重量。通过实验学生能够从数值上感受此结论, 从而加深对问题的理解。
(2) 突破局限,
弥补不足
在电磁学一章中, 要求学生建立∀电#磁∃关系模型, 并理解磁现象的电本质。此章的实验对测量仪器要求很高, 首先要有能测微安级电流的电流计, 还需要测量磁场的磁感应强度。而传统的实验仪器在这方面恰恰存在欠缺。例如, 导体切割磁力线产生感生电流实验中, 最理想的实验方案是使用单根导线。原因在于单根导线结构简单, 最符合教材中对导体切割磁力线感生电流的描述, 学生不存在认知困难。但由于传统实验中测微小电流信号的灵敏电流计只能达到毫安级, 再加上单根导线切割磁力线的感生电动势很小, 得到的感生电流相当微弱, 导致灵敏电流计指针偏转很不明显。在教学实践中往往采取增加磁场强度, 增加导线在磁场中有效长度的方法, 或直接使用微电流放大电路。采取这些措施虽然取得一定效果, 但由于对器材提出了较高要求, 实验准备复杂, 加重了教师负担。教师往往退而求其次, 使用多匝线圈代替单根导线, 使得学生在认知过程中增加了将多匝线圈视为单一导体的∀头脑转弯∃工作。DIS 微电流传感器将实验精度由灵敏电流计的毫安级提升到了微安级, 从而能清晰地观察
%
单根导线切割磁力线产生的感生电流, 许多教师多年的设想得以实现。
∀直线电流的磁场∃是验证电磁关系的另一个重要实验。但在使用传统方法进行实验时困难重重。其中首先面临的困难, 是缺乏磁现象的量化测量手段。而DIS 磁感应强度传感器不仅实现了磁场现象的量化测量, 而且其灵敏的感测功能使得直线电流的获取变得格外方便。因DIS 的应用, ∀直线电流的磁场∃实验变得简单易行, 而且从定性观察上升到定量分析层面, 实验质量和教学效果得到了提升。
由上述实验可知, 凭借微电流和磁场强度传感器, DIS 有效解决了微小电、磁信号的测量问题, 为传统的疑难实验带来了令人满意的新做法。同时软硬件的有机结合增加了实验的深度, 拓展了电磁学实验的广度, 使众多极为精彩、对学生有很大启发、必须通过微小信号测量才能够完成的拓展型实验, 如人体导电、大地电流、水果电池、纯水导电、热电偶等, 得以进入实验室和课堂。
(3) 促进物理现象和规律的可视化
电容器充放电是一个典型的暂态现象实验。传统条件下, 使用小灯泡或电流表来观察电容器放电现象, 实验电路的原理如图2a 、2b 所示。其中图2a 方案使用小灯泡看似简单, 实际却包含很多要点。比如电源的电动势、电容容量和灯泡的电阻必须搭配适当, 电源的内阻必须很小, 否则不能保证小灯泡随着电容的充电、放电呈现足够的亮度, 而且容易造成灯泡烧毁。图2b 方案使用电流计相对较好, 能够在观察到电流变化的同时显示电流方向。但两种传统实验方法的共同缺陷, 是无法展示电容充放电引起的电流变化的全过程。虽然可借助示波器, 但根据笔者的经验, 该实验对示波器的参数和使用操作的要求也很高:要求示波器扫描时间1~3s, 还需具备触发存储功能; 充电时要将示波器触发置于∀内+∃, 而放电时则置于∀内-∃; 另需保证∀Y ∃的增益要很大, 否则无法形成触发。鉴于上述情况, 电容器放电实验一直存在实验手段的∀瓶颈∃。而采用图2c 方案, 使用DIS 电压传感器进行电容器充放电实验, 首先可以选择∀示波显示∃方式相对容易地描绘出反映充放电过程中电压随时间变化的图线, 让学生对该物理过程有一个基本了解。接下来, 可使用DIS 计算表格的∀自动记录∃功能, 调节采集频率
(数据点时间间隔) , 可获得放电过程中的电压数据, 进而通过∀坐标绘图∃描绘出实验数据对应的离散点。教师引导学生对离散点的排列规律进行观察, 并与实时绘出的充放电图线加以对比。这样一方面可以强化学生对充放电规律的认识, 另一方面可以使学生理解图线背后的实验数据基础, 掌握殊途同归的研究方法。有了图线和离散点图像(见图2d) , 教师再将电容器充电时电压的变化规律总结为具有∀指数特征∃的图线, 学生也
能够理解和接受了。
图2
(4) 利用信息技术填补测量空白
在物理教学过程中, 照度与距离的变化关系比较难测定。我们可以利用DI S 的光传感器, 比较方便测得随着与光源距离的增加而照度减小的规律, 快速得到实验结论或验证实验结果。在如图3所示的实验中, 图3b 所示的光强度图线存在一定的起伏与跳动, 说明小灯泡的发光强度在小范围内波动, 其主要原因在于电源输出的影响。同时我们也可以验证蜡烛的光强。可以在暗环境下, 保持蜡烛与DIS 光强传感器的距离为32cm 不变, 点亮1支蜡烛, 待其烛光稳定后, 得到一个光强度值, 将蜡烛的数量依次增加到2支、3支和4支, 分别得到几组光强数值。比较各值, 可推出随着蜡烛增多,
光强度也增强。
图3
%
(5) 利用数字实验特殊测量功能开拓新实验我们知道, 物理实验中测转速往往比较困难, 因为没有直接测量仪器。而借助DIS 磁感应强度传感器可方便测物体的转速。只要将磁感应强度传感器靠近放有条形磁铁的转盘, 记录下磁信号转换频率, 就知道其物体转速了(见图4)
。
的机械性工作交给计算机自动完成, 能够腾出更多的教学时空, 用以引导学生更多地观察物理现象, 体验物理过程, 探究物理规律, 这有利于提高学生发现问题、提出问题、探究问题、解决问题的能力。
(4) ∀集中∃与∀分散∃
建设一个数字化实验室, 至少耗资20余万元。受到学校教育经费的限制, 在目前的情况下很难做到每所学校都去引进数字化实验系统。已引进的学校, 由于考试不作要求, 平时实验室闲置率较高。如何在一定范围内建立数字实验中心, 实现资源共享是有关部门应该关注的问题。另外, 可以通过各种教研活动等形式交流其应用方面的各种经验。
(5) ∀普及∃与∀提高∃
各种教学资源的整合是当前课程改革的重点之一。教学资源的整合包括多方面, 信息技术与物理学科的整合是其中之一。利用DIS 能够完成中学物理中力学、热学、电磁学、光学、原子物理实验数百个。但是DIS 作为一种新型的实验系统, 师生的学习和掌握有一个渐进和内化的过程, 大面积推广也要经历循序渐进的阶段。教师可以先按课程标准, 从基础性、拓展性和研究性课程中挑选一部分具有代表性、典型性的DIS 实验把它们讲清楚, 让学生做熟又不重复。我们要适度把握好DIS 实验的容量和密度, 否则容易造成学生囫囵吞枣、一知半解、似是而非。教师要注重引导, 循序渐进, 对新仪器以及使用新仪器采集到的相关信息进行及时解释。只有教师将自己的思想与教学行为提升到与时代同步, 才能带动学生的发展, 才能让中学阶段培养学生的实践精神和创新意识得以发生和发展。我们相信, 数字化实验的推广应用, 不仅带来技术层面的提高, 更可推动教育思想观念的进步。传感器、计算机信息技术设备都是物理学发展和进步的成果, 将其应用到物理实验教学当中, 本身就是开阔视野、与时俱进的措施, 同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供鲜活的素材。有了先进的实验手段, 学生们必定能够收获足以令我们意想不到的成功。这也正是教育改革的目标。
(收稿日期:2008 11 14)
图4
变不易测量物理量为易测量。平时我们要测米粒、花生等体积, 比较费时, 而应用DIS 压强传感器可方便测出微小物体体积。将待测小物体置
入压强实验配套的注射器, 利用置入前后P-L v 图线在纵轴(体积) 上截距差计算其体积。这样做既方便, 测量的值又准确。2 对数字化实验的几点思考
(1) ∀共存∃与∀替换∃
数字化实验与传统实验应该同时并重。它们互为补充, 相辅相成, 既无主次之分, 更不能完全替换。它们不是推倒与重建、破和立的关系, 而是继承与发展的关系。在物理教学过程中既要提倡运用DIS, 又不能偏废对传统实验方法和实验手段的学习。
(2) ∀载体∃与∀主体∃
DIS 是一种新型实验工具和教学手段, 是物理教学的载体, 而学生才是学习过程的主体。优秀的物理教学应该以学生发展(建构良好的知识结构) 为本, 使∀载体∃为∀主体∃服务, 而不是要求∀主体∃适应∀载体∃。因此, 一切要从学生的实际和学生的发展出发, 使教师的教学理念、学生学习方式和现代信息技术达到尽可能完美的结合。
(3) ∀扬长∃与∀避短∃
人们对新事物的认识与理解往往容易从一个极端跳到另一个极端。我们应该坚持辨证的思维方法, 看到事物的两面性, 对数字实验也是如此。传统实验能够做得好的实验, 并不需要用数字化实验来∀做秀∃。而数字实验能把采集、处理数据
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现代实验技术
浅谈用数字化实验系统做高中物理实验
章仲裕
浙江省上虞市春晖中学 312353
摘 要 例谈了数字化实验系统在高中物理教学中的应用, 并提出数字化实验室应用的方式、效果和值得注意的问题。关键词 数字化实验技术 传感器 学生能力
随着课程教材改革的推进, 数字化实验进入课堂, 打造出了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。数字化实验以传感器和计算机为基础, 结合传统的实验仪器, 将实验数据采集之后用计算机进行分析处理, 通过数据图表和图像展示现象、揭示规律。从2005年起我们将传感器引入高中物理教学, 经过两年多的探索, 分别在力、磁、电、光教学中选取典型课例进行了实践。1 数字化实验技术在物理教学中的应用实例
图1
(1) 实现实验手段的数字化
在人教版必修 物理! (2) 第57页有一拱形桥题目:质量为m 的汽车在拱形桥上以速度V 前进。若桥面的圆弧半径为R , 则汽车通过桥最高点时对桥的压力? 如通过同样半径的凹形桥面时则压力变为多少呢? 这种题通过受力分析能够得出汽车过桥面压力, 但不能直接用数值来加以显示。而DIS 力传感器实验系统具有强大的动态作图功能, 它能以图像的表达方式呈现相关物理量的动态变化, 让学生接受真实的实验结果, 帮助学生实现概念的转变。实验装置如图1a 所示, 用小球替代汽车, 在下滑最高点与最低点分别安上力传感器。用手拿住小球在适当位置放手, 分别记录下小球通过最高点与最低点时力的数值(见图1b, 图1c) , 测出小球在上升(或下降) 两个拐点中与力传感器相连的力的大小随时间的变化关系。再将此段与小球总重量比较, 得出小球最高点力值小于上述总重量, 而最低点力值大于上述总重量。通过实验学生能够从数值上感受此结论, 从而加深对问题的理解。
(2) 突破局限,
弥补不足
在电磁学一章中, 要求学生建立∀电#磁∃关系模型, 并理解磁现象的电本质。此章的实验对测量仪器要求很高, 首先要有能测微安级电流的电流计, 还需要测量磁场的磁感应强度。而传统的实验仪器在这方面恰恰存在欠缺。例如, 导体切割磁力线产生感生电流实验中, 最理想的实验方案是使用单根导线。原因在于单根导线结构简单, 最符合教材中对导体切割磁力线感生电流的描述, 学生不存在认知困难。但由于传统实验中测微小电流信号的灵敏电流计只能达到毫安级, 再加上单根导线切割磁力线的感生电动势很小, 得到的感生电流相当微弱, 导致灵敏电流计指针偏转很不明显。在教学实践中往往采取增加磁场强度, 增加导线在磁场中有效长度的方法, 或直接使用微电流放大电路。采取这些措施虽然取得一定效果, 但由于对器材提出了较高要求, 实验准备复杂, 加重了教师负担。教师往往退而求其次, 使用多匝线圈代替单根导线, 使得学生在认知过程中增加了将多匝线圈视为单一导体的∀头脑转弯∃工作。DIS 微电流传感器将实验精度由灵敏电流计的毫安级提升到了微安级, 从而能清晰地观察
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单根导线切割磁力线产生的感生电流, 许多教师多年的设想得以实现。
∀直线电流的磁场∃是验证电磁关系的另一个重要实验。但在使用传统方法进行实验时困难重重。其中首先面临的困难, 是缺乏磁现象的量化测量手段。而DIS 磁感应强度传感器不仅实现了磁场现象的量化测量, 而且其灵敏的感测功能使得直线电流的获取变得格外方便。因DIS 的应用, ∀直线电流的磁场∃实验变得简单易行, 而且从定性观察上升到定量分析层面, 实验质量和教学效果得到了提升。
由上述实验可知, 凭借微电流和磁场强度传感器, DIS 有效解决了微小电、磁信号的测量问题, 为传统的疑难实验带来了令人满意的新做法。同时软硬件的有机结合增加了实验的深度, 拓展了电磁学实验的广度, 使众多极为精彩、对学生有很大启发、必须通过微小信号测量才能够完成的拓展型实验, 如人体导电、大地电流、水果电池、纯水导电、热电偶等, 得以进入实验室和课堂。
(3) 促进物理现象和规律的可视化
电容器充放电是一个典型的暂态现象实验。传统条件下, 使用小灯泡或电流表来观察电容器放电现象, 实验电路的原理如图2a 、2b 所示。其中图2a 方案使用小灯泡看似简单, 实际却包含很多要点。比如电源的电动势、电容容量和灯泡的电阻必须搭配适当, 电源的内阻必须很小, 否则不能保证小灯泡随着电容的充电、放电呈现足够的亮度, 而且容易造成灯泡烧毁。图2b 方案使用电流计相对较好, 能够在观察到电流变化的同时显示电流方向。但两种传统实验方法的共同缺陷, 是无法展示电容充放电引起的电流变化的全过程。虽然可借助示波器, 但根据笔者的经验, 该实验对示波器的参数和使用操作的要求也很高:要求示波器扫描时间1~3s, 还需具备触发存储功能; 充电时要将示波器触发置于∀内+∃, 而放电时则置于∀内-∃; 另需保证∀Y ∃的增益要很大, 否则无法形成触发。鉴于上述情况, 电容器放电实验一直存在实验手段的∀瓶颈∃。而采用图2c 方案, 使用DIS 电压传感器进行电容器充放电实验, 首先可以选择∀示波显示∃方式相对容易地描绘出反映充放电过程中电压随时间变化的图线, 让学生对该物理过程有一个基本了解。接下来, 可使用DIS 计算表格的∀自动记录∃功能, 调节采集频率
(数据点时间间隔) , 可获得放电过程中的电压数据, 进而通过∀坐标绘图∃描绘出实验数据对应的离散点。教师引导学生对离散点的排列规律进行观察, 并与实时绘出的充放电图线加以对比。这样一方面可以强化学生对充放电规律的认识, 另一方面可以使学生理解图线背后的实验数据基础, 掌握殊途同归的研究方法。有了图线和离散点图像(见图2d) , 教师再将电容器充电时电压的变化规律总结为具有∀指数特征∃的图线, 学生也
能够理解和接受了。
图2
(4) 利用信息技术填补测量空白
在物理教学过程中, 照度与距离的变化关系比较难测定。我们可以利用DI S 的光传感器, 比较方便测得随着与光源距离的增加而照度减小的规律, 快速得到实验结论或验证实验结果。在如图3所示的实验中, 图3b 所示的光强度图线存在一定的起伏与跳动, 说明小灯泡的发光强度在小范围内波动, 其主要原因在于电源输出的影响。同时我们也可以验证蜡烛的光强。可以在暗环境下, 保持蜡烛与DIS 光强传感器的距离为32cm 不变, 点亮1支蜡烛, 待其烛光稳定后, 得到一个光强度值, 将蜡烛的数量依次增加到2支、3支和4支, 分别得到几组光强数值。比较各值, 可推出随着蜡烛增多,
光强度也增强。
图3
%
(5) 利用数字实验特殊测量功能开拓新实验我们知道, 物理实验中测转速往往比较困难, 因为没有直接测量仪器。而借助DIS 磁感应强度传感器可方便测物体的转速。只要将磁感应强度传感器靠近放有条形磁铁的转盘, 记录下磁信号转换频率, 就知道其物体转速了(见图4)
。
的机械性工作交给计算机自动完成, 能够腾出更多的教学时空, 用以引导学生更多地观察物理现象, 体验物理过程, 探究物理规律, 这有利于提高学生发现问题、提出问题、探究问题、解决问题的能力。
(4) ∀集中∃与∀分散∃
建设一个数字化实验室, 至少耗资20余万元。受到学校教育经费的限制, 在目前的情况下很难做到每所学校都去引进数字化实验系统。已引进的学校, 由于考试不作要求, 平时实验室闲置率较高。如何在一定范围内建立数字实验中心, 实现资源共享是有关部门应该关注的问题。另外, 可以通过各种教研活动等形式交流其应用方面的各种经验。
(5) ∀普及∃与∀提高∃
各种教学资源的整合是当前课程改革的重点之一。教学资源的整合包括多方面, 信息技术与物理学科的整合是其中之一。利用DIS 能够完成中学物理中力学、热学、电磁学、光学、原子物理实验数百个。但是DIS 作为一种新型的实验系统, 师生的学习和掌握有一个渐进和内化的过程, 大面积推广也要经历循序渐进的阶段。教师可以先按课程标准, 从基础性、拓展性和研究性课程中挑选一部分具有代表性、典型性的DIS 实验把它们讲清楚, 让学生做熟又不重复。我们要适度把握好DIS 实验的容量和密度, 否则容易造成学生囫囵吞枣、一知半解、似是而非。教师要注重引导, 循序渐进, 对新仪器以及使用新仪器采集到的相关信息进行及时解释。只有教师将自己的思想与教学行为提升到与时代同步, 才能带动学生的发展, 才能让中学阶段培养学生的实践精神和创新意识得以发生和发展。我们相信, 数字化实验的推广应用, 不仅带来技术层面的提高, 更可推动教育思想观念的进步。传感器、计算机信息技术设备都是物理学发展和进步的成果, 将其应用到物理实验教学当中, 本身就是开阔视野、与时俱进的措施, 同时也为科学方法的培养和科学精神的塑造提供鲜活的素材。有了先进的实验手段, 学生们必定能够收获足以令我们意想不到的成功。这也正是教育改革的目标。
(收稿日期:2008 11 14)
图4
变不易测量物理量为易测量。平时我们要测米粒、花生等体积, 比较费时, 而应用DIS 压强传感器可方便测出微小物体体积。将待测小物体置
入压强实验配套的注射器, 利用置入前后P-L v 图线在纵轴(体积) 上截距差计算其体积。这样做既方便, 测量的值又准确。2 对数字化实验的几点思考
(1) ∀共存∃与∀替换∃
数字化实验与传统实验应该同时并重。它们互为补充, 相辅相成, 既无主次之分, 更不能完全替换。它们不是推倒与重建、破和立的关系, 而是继承与发展的关系。在物理教学过程中既要提倡运用DIS, 又不能偏废对传统实验方法和实验手段的学习。
(2) ∀载体∃与∀主体∃
DIS 是一种新型实验工具和教学手段, 是物理教学的载体, 而学生才是学习过程的主体。优秀的物理教学应该以学生发展(建构良好的知识结构) 为本, 使∀载体∃为∀主体∃服务, 而不是要求∀主体∃适应∀载体∃。因此, 一切要从学生的实际和学生的发展出发, 使教师的教学理念、学生学习方式和现代信息技术达到尽可能完美的结合。
(3) ∀扬长∃与∀避短∃
人们对新事物的认识与理解往往容易从一个极端跳到另一个极端。我们应该坚持辨证的思维方法, 看到事物的两面性, 对数字实验也是如此。传统实验能够做得好的实验, 并不需要用数字化实验来∀做秀∃。而数字实验能把采集、处理数据
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