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数字化处理系统在我组物理实验教学中的实践研究 　 　 北京十二中 　　 岳玉平　 内容提要：在信息化社会的背景下,传统的实验模式已经不能适应学生的学习需要了,传感器和数字处理系统已被引入高中物理课堂教学中它为中学物理课堂教学的改革增加了一种新的手段,为培养学生的物理创造性思维能力起到了重要的作用，具体的来讲,它可以使抽象的问题形象化,从而使学生在课堂上完整、清晰、形象地感知物理过程本文分析了传感器和数字处理系统的先进性和实用性，同时也分析和探讨了它在培养学生创造性思维能力方面的作用关键词:传感器和数字处理系统 物理实验教学 　 实践研究课程改革中最基本的理念是提倡“以学生为本”，培养学生自主学习、科学探究的兴趣和能力在这样的理念下,就我组学科课堂教学而言，老师认真学习，积极探索，提高认识，大胆实践现对我们实验教学中对“传感器和数字化处理系统”的认识和实际应用的工作分析一二一、 数字化处理系统在高中物理实验教学中的特点传感器和数字化处理系统已在我组物理课堂教学中应用,它涉及教学理念、实验设备、器材功能等多方面的问题总的来讲,中学进行数字处理系统实验特点如下：1．直观、明显。

数字化处理系统实验可以快速连续采集数据，这是常规实验办不到的例如摩擦力实验用测力计演示存在最大静摩擦很不容易控制，而用数字化处理系统可以画出连续图像如下左图中的峰值是最大静摩擦,以后是滑动摩擦下右图中是用数字化处理系统进行牛顿第三定律的图像,有很好的对称性2.数字化处理系统实验特别适合于需要采集高速（瞬时)实验的数据以对瞬时速度的测量为例,传统的方法是将对速度的测量转化成对与速度有关的物理量的测量例如,在《验证机械能守恒定律》的实验中,教材是利用“平均速度”的方法来实现了用对位移的测量来取代对瞬时速度测量的目的;又如,在《验证动量守恒定律》的实验中，教材利用“平抛运动”的原理将对碰撞前后小球瞬时速度的测量转化成对小球落地时在水平方向上所走过的位移的测量我们必须承认,上述的处理办法对于学生来讲是有新意的，在实验的过程当中把已有的理论知识在实践中得到了应用但与此同时,我们一定会思考下面两个问题:是否所有的与速度测量有关的实验都可以用这种“等效转换”的办法来处理？是否所有的与速度测量有关的实验都必须用这种“等效转换”的办法来处理?回答当然是否定的例如,教材在选做实验《用气垫导轨验证动量守恒定律》的实验中,就是利用“光电门”来测量小滑块在碰撞前后的速率。

这种处理方法的优点就是提高了测量精度，同时又避免了对速度过多的处理而引起的“喧宾夺主”的反面效果受到这个实验的启发，我们就可以让学生探究一些课本上所没有的实验:例如利用光电门测量自由落体运动的加速度；利用光电门验证单摆运动过程中的机械能守恒等等３.智能处理数据他不仅能自动采集资料,而且可自动处理，包括绘制物理量关系图线当用于一些计算工作量较大的实验(例如气轨上的实验)时，可以代替烦琐的人工计算，能显著提高效率例如,在《描绘小灯泡的伏安特性曲线》的实验中、研究电源的路端与电阻的关系、研究电源的输出功率和电阻、输出功率和电流的关系(下图为计算机直接处理得到的有关曲线)对于《测定单摆周期》以及《探究弹簧振子的运动规律》这两个学生探究实验来说,大规模数据采集以及采集后的数据处理能力则显得尤为重要要想达到上述两个目的,那么在实验中除了要装配我们的传统物理实验器材以外,传感器（将各种不同的物理信号转化成数字信号）、数据采集系统和数据处理系统（ＰC机)的装配也是必不可少的4.数字化处理系统实验为中学实验教学增加了一种新的手段，一种新的工具，有可能实现按照新的实验原理和方案，设计新的实验长期以来，我们在物理实验教学中遵循这样一个规律，那就是按照教学进度,学生该做什么实验,实验教师就会在实验室准备相应的实验器材。

看起来井井有条的教学安排其实在无形当中扼杀了学生的创造性如果能够给每组学生配备一套数字化实验系统,那么教师就可以大大超出教材的范围，或者让学生探究一些教材上提到了，但是无法用传统方法完成的实验:例如声波的振动图像;电容的充放电;以及用磁传感器研究地球磁场等实验或者让学生尝试利用不同的实验器材，采用不同的测量方法和手段来达到同样的实验目的：例如学生可以用力传感器和加速度传感器的组合来研究牛顿第二定律；学生还可以利用光电门传感器来完成该实验;学生甚至还可以利用位移传感器来完成该实验总之，就我们目前所想到的利用电流、电压、位移、力、光电门、磁、压强、温度、光传感器可以进行一百多项教材上没有的物理实验当然,是否每一个实验都适合学生作探究,还有待于不断的实践和探索二、实践研究过程课例　　 以下是我组青年教师孙德峰、赵海燕老师的公开课课里例“电容器 电容”1.传统的解决办法：对电容器带电量与两极间电压成正比这一结论,教材是直接灌给学生的，不宜于学生接受,从网上下载了充放电模拟演示实验，弥补了教材的不足，让学生通过描点，画线，亲自探索出电量与电压的关系，顺其自然引入电容的概念,从而掌握比值法定义物理量的方法，不仅易于消化，而且调动了学生的积极性,巩固了重点突破了难点。

对电容器的充放电过程教材说的过于简单，加上内容抽象,微而这部分内容又是后面学习电磁振荡的基础，为突破难点,不仅用实物演示，还采用了计算机模拟,观运动又无法演示，学生接受困难;让学生亲眼看到了电子的运动过程为后面教学铺平了道路但是,模拟演示实验毕竟不是真实的实验,难于让学生信服２．利用数字化处理系统的解决办法是：整节课始终以学生为主体、教师为主导、实验为主线，用数字化处理系统使动态的微观世界真的动了起来,与传统的教学方式形成了鲜明的对比1)实验原理、装置及器材实验原理:用电流传感器实时采集充电电流随时间变化的关系，通过积分可以计算得出平行板电容器极板上的电压实验装置:如图为测电容器充电电流或放电电流的实验装置图实验器材：干电池多节、不同规格的电容器、单刀双掷开关、电流传感器、小灯泡2)实验操作实验一:电路中接4７00微法的电容,闭合开关1采集充电电流如下图所示实验二：电路中接2300微法的电容,改变电源电压，闭合开关1,分别采集Ｅ＝7．５ Ｖ 、６　V、4.5 V、 3 V时的电流用积分工具求出不同电压下电容器的带电量，用数字电压表测出电容器两极板间的电压实验资料和图线如下表表示：电容器１　Logｇｅr Pro　栏数据:时间电流时间电流时间电流时间电流50.0０03０43８３１.４0.000６09632.6-0.0003０6123.３0.0003０４3835.10.0００３0４3831.5-0.0０06１142．7０．0003043833.4０.00０9148845.20.004８８３１41．６0.1０16472．8０.0７99747３．50.04059745.3０.00２1３5８９1.7０．0054９３642．90.00３9673９3．60.00366２14５．４０．０0０6096３４１.80．0０３051６4３0.002135893.70.0０１8306３5.５0.０01220131．90.002135893.１0．00１83０633.８0.０015２5385.６０.００03０４3８320.００09148８３.２０.0０0304３83３.9０.00０91４８84５.70.00122０1３2．１0.00122０1３３．3０.０0122０134０.00０914884５．80.０00６09６３42.２0.0018３063３．4０.0０1220134．１0.00０3０４３８35.９0.000９1488４2.30.00１22０133.５－8.67E－07４.20.000304３８360.000304３832．４-8.67Ｅ－073.6０.0009１48844.３０．０００609６34电压电量电压电量电压电量电压电量7.50.0１85160．011１94.５0.０1０6５30.006４7１下图为电容器1的电流----时间图像下表为电容器1的电量－---电压图像实验三:电路中接340０微法的电容，改变电源电压，闭合开关１,分别采集E=7.5 V 、6 V、4.5 V、 3 V时的电流，用积分工具求出不同电压下电容器的带电量，用数字电压表测出电容器两极板间的电压。

实验资料和图线如下表表示:电容器2　Logger　Ｐro 栏数据：时间电流时间电流时间电流时间电流１.10．０0122013２.200.00０3043832．7－0.0０030６123.５0.０0030４3831.2-3．06E-0４2.30.0009148８42.80．０0030４３８33．6-０.00０61１3681.3０.18０7０7２.4-８.67E-０72.9-8.67E－０73.70.０００6０９６３４1.40．０109８81２．50.１09584３0．05４638９3.80.0５463891.50.004272642.60.00915６６４3.10．０07325143.９0.00152５381.６0.0０3051642.7０.００3６６２143.2０.００3356894０.00１8３０６31．70．001830632.80.00274６３93.30.0０2４41１44．10.0００609６341.8１.8３E-０32.90.０02135８93．40.0024411４4.20.00０91４88４1．9０.0018306330.0015２５３83.50.00１83063４.３0.000６０９6342０.0０１22０13３.10．0０1８306３3.6０.0018３０634.40.0００914８842．1０.0018３０633.20.０01５25383.７０.0015２5３8４.５0．０００914884电压电量电压电量电压电量电压电量7．5０.0251５６0.02014.５0.01４2９30.01007下图为电容器2的电流－－-－时间图像下表为电容器2的电量-－-－电压图像3．实验结果及资料分析由实验一,闭合开关实时采集充电电流的同时,引导学生观察，虽然我们不能用肉眼看到充电电流,但是它是客观存在的,充电电流具有什么特点呢？显然是瞬间增大（大约用0.２5秒）,接着又在瞬间减为零（大约用0.25秒）,共持续时间大约0.　5秒左右。

由实验二 ，在电路中接入 　 　　 　的电容，首先,电源用五节干电池，闭合开关,采集充电电流,并通过大屏幕显示电流－-－-时间图像，用积分工具得到电容器的带电量为0.01８5１C,同时用电压表测出电容器两极板间的电压为7.5V;电源用四节干电池,闭合开关,电容器的带电量为0.01119C,两极板间的电压为6.０。