高中物理教學(xué)論文 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用（通用）

1、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 所謂數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是以數(shù)字化設(shè)備為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理的工具、配套其它實(shí)驗(yàn)器材構(gòu)建的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技術(shù)。數(shù)字化數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成。以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)，就是建立在上述實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法基礎(chǔ)上的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，是課程標(biāo)準(zhǔn)教科書的要求和需要，也是新高考和中考的要求和需要。也是物理學(xué)科發(fā)展的要求和需要。實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)和研究物理學(xué)的最基本的內(nèi)容、方法和手段。實(shí)驗(yàn)，包括學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)以及小實(shí)驗(yàn)等，要把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。只有實(shí)驗(yàn)，才能學(xué)到真知識(shí)；只有實(shí)驗(yàn)，才能培養(yǎng)真人才；只有實(shí)驗(yàn)，才能真正提高教學(xué)質(zhì)量。數(shù)

2、字化實(shí)驗(yàn)，是計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)。課程標(biāo)準(zhǔn)教科書專門安排了一些電子計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)，如：借助傳感器用計(jì)算機(jī)測速度（教科書物理必修1 P25）、用傳感器觀察電容器的充電和放電（選修3-1 P31）等等。電子計(jì)算機(jī)，是現(xiàn)代化的標(biāo)志和體現(xiàn)，學(xué)生通過用計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)，不僅學(xué)了物理學(xué)，也學(xué)了計(jì)算機(jī)，可謂一舉兩得。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，是新實(shí)驗(yàn)，不僅是新儀器，也是新方法。例如霍爾元件、斯密特觸發(fā)器等實(shí)驗(yàn)。一些教師開始接觸，不太了解，不太熟悉，往往有把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室閑置或充當(dāng)門面。通過做實(shí)驗(yàn)，他們熟悉實(shí)驗(yàn)、熟悉儀器，并可能在應(yīng)用的過程中有所創(chuàng)新，使數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室充分發(fā)揮作用，以物盡其用。1. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程標(biāo)準(zhǔn)教

3、科書物理不僅把傳感器作為單獨(dú)的一章知識(shí)內(nèi)容，而且把傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)（選修3-2 P70）作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)，新的高考大綱中也把“傳感器的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)作為高考內(nèi)容。傳感器在現(xiàn)代生活和工業(yè)、科技中也有廣泛的應(yīng)用，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中接觸和了解傳感器，對(duì)他們的高考和將來從事科學(xué)研究及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也不無幫助。實(shí)驗(yàn)1. 傳感器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)光控開關(guān)圖2是型號(hào)HEF40106B觸發(fā)器的引腳示意圖，由圖可以看出，在同一塊集成片上分別做了6塊獨(dú)立的施密特觸發(fā)器，如果使用第1塊，只需要在接輸入電壓，在接輸出電壓，然后分別把到穩(wěn)壓電源，接地，就可以工作了。實(shí)驗(yàn)原理：圖 3將電路按圖3連接，為光敏電阻，為電阻箱，為發(fā)光二極管，

4、A點(diǎn)為施密特觸發(fā)器的輸入端，Y點(diǎn)為施密特觸發(fā)器的輸出端。適當(dāng)選擇，的阻值后，當(dāng)外界光線很強(qiáng)時(shí)，上的電阻相對(duì)比較小，A點(diǎn)的電壓小于，Y點(diǎn)輸出高電位，發(fā)光二極管兩端的電勢差很小，因此不能發(fā)光，當(dāng)外界光線變?nèi)鯐r(shí)，上的電阻顯著增大， A點(diǎn)的電壓也顯著增大，當(dāng)增大到時(shí)，Y點(diǎn)輸出低電位，發(fā)光二極管兩端有大約5V的電勢差，發(fā)光二極管開始正常發(fā)光，如果光線強(qiáng)度又進(jìn)一步開始回升，上的電阻減小，A點(diǎn)的電壓也開始減小，當(dāng)A點(diǎn)的電壓小于時(shí)，Y點(diǎn)又輸出高電位，發(fā)光二極管熄滅。為了更直觀地了解整個(gè)電路工作過程，在分別用兩個(gè)電壓傳感器對(duì)A點(diǎn)和Y點(diǎn)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，光強(qiáng)傳感器測量，顯示外界光線變化對(duì)電路的影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫?/p>

5、解簡單光控電路，對(duì)自動(dòng)控制有初步理解。實(shí)驗(yàn)裝置：計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，光強(qiáng)傳感器，兩個(gè)電壓傳感器，兩個(gè)電阻箱，施密特觸發(fā)器，發(fā)光二極管，導(dǎo)線若干，學(xué)生直流電源。實(shí)驗(yàn)步驟：1先按電路圖連接各個(gè)器件，并注意發(fā)光二極管的極性，和施密特觸發(fā)器的引腳，具體情況可以參照前面的示意圖，將接到穩(wěn)壓電源的正極，接到穩(wěn)壓電源的負(fù)極，接輸入電壓對(duì)應(yīng)電路中A點(diǎn)，接輸出電壓對(duì)應(yīng)電路中Y點(diǎn)。2調(diào)節(jié)，電阻箱的阻值，選擇合適的電阻，將兩個(gè)電壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器的1，2通道連接，把光強(qiáng)傳感器連接到3或4通道，然后將數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，開啟采集器電源，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)專用界面。3把兩個(gè)電壓傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸入端的分別導(dǎo)線短接，對(duì)電壓傳

6、感器進(jìn)行較零，然后把連接1通道電壓傳感器的信號(hào)正極接到電路中A點(diǎn)，同時(shí)把它的負(fù)極接到穩(wěn)壓電源的負(fù)極，也就是電路中的地，然后把2通道電壓傳感器的信號(hào)正極接到電路中Y點(diǎn)，同時(shí)把它的負(fù)極接到穩(wěn)壓電源的負(fù)極。4把光敏電阻的感應(yīng)面朝上，將光強(qiáng)傳感器與光敏電阻放置在一起，在采集間隔和采集數(shù)量窗口輸入合適的數(shù)值，點(diǎn)擊開始按鈕。5用一塊大的擋光物將光敏電阻附近的光線慢慢擋住，觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)注意二極管的發(fā)光情況，當(dāng)它開始發(fā)光以后，再慢慢把擋光物撤掉，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析：1輸出電壓與輸入電壓曲線2外界光強(qiáng)與輸出電壓數(shù)據(jù)關(guān)系本次實(shí)驗(yàn)中，從圖上可以看出當(dāng)光強(qiáng)為時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，而當(dāng)光強(qiáng)為時(shí)，發(fā)光二

7、極管熄滅。2. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：探究性實(shí)驗(yàn)課程標(biāo)準(zhǔn)教科書不僅把原教科書的一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，而且新安排了一些探究性實(shí)驗(yàn)。這些探究性實(shí)驗(yàn)，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器和方法去做，更為便捷。例如探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（必修1 P75）、探究功與物體速度變化的關(guān)系（必修2 P17）等實(shí)驗(yàn)。通過探究性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生研究、探究的能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力打好基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)2. 探究（恒力做）功與物體速度變化的關(guān)系（動(dòng)能定理）6. 當(dāng)“開始”按鈕的顏色變“灰”時(shí)，釋放小車；7. 當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到靠近支撐桿時(shí)，使小車停止運(yùn)動(dòng)，然后點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕；8. 觀察“力位移”、“速度位移”和“動(dòng)能位移”關(guān)系曲線的特點(diǎn)；9. 任選一

8、個(gè)位移區(qū)間，對(duì)力進(jìn)行積分，并比較積分值和兩個(gè)區(qū)間端點(diǎn)處動(dòng)能的差；10. 改變鉤碼和小車的質(zhì)量，重復(fù)步驟610（第2次：小車402.81g，鉤碼30.35g）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析a) “力、速度 vs. 位移”圖表（小車402.81g，鉤碼19.91g）：由圖可知，從靜止釋放到制動(dòng)前（去掉對(duì)應(yīng)制動(dòng)過程的最后兩組讀數(shù)），隨著位移的增加，小車所受的拉力（中間的紅色曲線）幾乎不變，小車的速度（上方的綠色曲線）和動(dòng)能（下方的藍(lán)色曲線）不斷增加，速度的變化率不斷減小，但是動(dòng)能的變化率幾乎恒定。b) 力做的功與動(dòng)能的變化（小車402.81g，鉤碼19.91g）：如圖所示，在所選的位移區(qū)間內(nèi)，力做的功為0.

9、0630 J，兩個(gè)區(qū)間端點(diǎn)處動(dòng)能的差為0.0594 J（= 0.08320.0238），力做的功略大于動(dòng)能的變化，二者近似相等，相對(duì)誤差為5.71 %。3“力、速度 vs. 位移”圖表（小車402.81g，鉤碼30.35g）：由圖可知，從靜止釋放到制動(dòng)前（去掉對(duì)應(yīng)制動(dòng)過程的最后4組讀數(shù)），隨著位移的增加，小車所受的拉力（中間的紅色曲線）幾乎不變，小車的速度（上方的綠色曲線）和動(dòng)能（下方的藍(lán)色曲線）不斷增加，速度的變化率不斷減小，動(dòng)能的變化率幾乎恒定。4 力做的功與動(dòng)能的變化（小車402.81g，鉤碼30.35g）：如圖所示，在所選的位移區(qū)間內(nèi)，力做的功為0.0911 J，兩個(gè)區(qū)間端點(diǎn)處動(dòng)能的差

10、為0.0870 J（= 0.12690.0399），力做的功略大于動(dòng)能的變化，二者近似相等，相對(duì)誤差為4.50 %。誤差分析1 滑輪與力傳感器掛鉤之間存在摩擦力，使得力傳感器測得的讀數(shù)大于小車?yán)Φ亩叮? 隨著速度的增加，小車受到的（滾動(dòng)）摩擦力略有增加；3 拉力做功的一部分轉(zhuǎn)化為兩個(gè)滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)能。關(guān)鍵點(diǎn)1 抵消摩擦力。注意事項(xiàng)1 采集間隔取默認(rèn)值5ms，如果使用更大的采集間隔，那么當(dāng)小車的運(yùn)動(dòng)速度很快時(shí)，位移的測量有可能出錯(cuò)；使用5ms作為采集間隔時(shí)，鉤碼與小車的質(zhì)量比必須小于3/10。3. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：應(yīng)用傳感器做實(shí)驗(yàn)，有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，用數(shù)字化方法即用傳感器和計(jì)算機(jī)去做，也比傳統(tǒng)的方法更方

11、便，數(shù)據(jù)處理更快、更準(zhǔn)確，圖象更清晰、更迅速。例如可以用位移傳感器或光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器做探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律（必修1 P34）等實(shí)驗(yàn)。用電流傳感器和電壓傳感器代替電流表和電壓表，做測定小燈泡的伏安特性曲線 （選修3-1 P48）、測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻 （選修3-1 P72）等實(shí)驗(yàn)。除“傳感器的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)外，還有許多用傳感器作為實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)，例如用傳感器和計(jì)算機(jī)描繪簡諧運(yùn)動(dòng)的圖象（選修3-4P5）等等，我們統(tǒng)計(jì)有十幾個(gè)。可以說：幾乎所有的實(shí)驗(yàn)都可以用數(shù)字化方法做。實(shí)驗(yàn)3. 測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻背景資料：通常的金屬導(dǎo)體都是以金屬鍵結(jié)合的晶體，處于晶格結(jié)點(diǎn)

12、上的原子很容易失去外層的價(jià)電子，而成為正離子。脫離原子核束縛的價(jià)電子可以在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)，稱為自由電子，在不受外電場作用時(shí)，自由電子只做熱運(yùn)動(dòng)，沒有宏觀的電量遷移，因而金屬中各個(gè)部分都呈現(xiàn)電中性。當(dāng)金屬中存在靜電場時(shí)，金屬中的自由電子在外電場的作用下，相對(duì)于晶格離子作定向運(yùn)動(dòng)，電子運(yùn)動(dòng)中必然與晶格相碰撞，達(dá)到某種平衡后，金屬中電子有一個(gè)整體上的平均速度，導(dǎo)體中有穩(wěn)定的電流，前面的分析都建立在導(dǎo)體中的靜電場是相對(duì)比較穩(wěn)定的前提上。如果將一個(gè)已經(jīng)充好電的電容器的兩個(gè)極板用導(dǎo)線連接起來，構(gòu)成閉合回路，電路中就有電流通過，不過隨著極板上帶電量的減少，它們之間的電勢差也在減少，電流很快就消失了。在電

13、池的兩個(gè)正極和負(fù)極上，分別帶有正電荷和負(fù)電荷，當(dāng)接入電路回路后，導(dǎo)線中的電子在電極電荷產(chǎn)生的靜電場中開始運(yùn)動(dòng)，形成電流，如果兩極上的電荷量得不到補(bǔ)充，那就不可能形成穩(wěn)定的電流輸出，電源的作用，不管是化學(xué)的電池，還是像范德格拉夫起電機(jī)之類的電源，都是將電荷從負(fù)電極搬運(yùn)到正電極，這種搬運(yùn)工作只能靠某種非靜電力來完成，假設(shè)非靜電力在搬運(yùn)過程中做功，那就是電源電動(dòng)勢，為載流子的電荷量。實(shí)驗(yàn)原理：圖1如圖1所示的閉合電路中，電源的電動(dòng)勢為，內(nèi)電阻為，負(fù)載電阻為，電路中的電流為，可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻足夠大時(shí)，因?yàn)樗蛢?nèi)電阻是串聯(lián)在一起的，它兩端的電壓將非常接近于電源電動(dòng)勢，當(dāng)，即所謂開路或斷路時(shí)，；當(dāng)，即

14、短路時(shí)，這時(shí)候的電流最大。負(fù)載電阻兩端的電壓為，也可以寫為，而電流為，因此有，這個(gè)關(guān)系在伏安曲線上表現(xiàn)為，也就是時(shí)。如果，。在實(shí)驗(yàn)中用滑動(dòng)變阻器做負(fù)載電阻，改變它的電阻，以同時(shí)改變電流和電壓，在軟件中作伏安曲線圖后，取擬合線，線的斜率的絕對(duì)值就是，曲線與縱軸的交點(diǎn)就是，點(diǎn)，可以測出電動(dòng)勢。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模汉唵螠y量電池電動(dòng)勢和內(nèi)阻。實(shí)驗(yàn)裝置：計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，電池，滑動(dòng)變阻器，電流傳感器，電壓傳感器，導(dǎo)線等。實(shí)驗(yàn)步驟：1將數(shù)據(jù)采集器與電流傳感器，電壓傳感器連接，然后將數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接，開啟采集器電源，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)專用界面。2把電流傳感器，電壓傳感器的兩個(gè)信號(hào)輸入端的導(dǎo)線分別短接，對(duì)電流傳感器、電壓傳感器進(jìn)行校零。3按實(shí)驗(yàn)電路連接電路圖，在專用界面的底部輸入合適的采集間隔和采集數(shù)量，閉合開關(guān)，點(diǎn)擊開始按鈕，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。4將滑動(dòng)變阻器從最大滑為最小，或者從最小滑到最大，得到伏安曲線，然后對(duì)伏安曲線進(jìn)行線性擬合。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析：1電壓變化：2電流變化：3 伏安曲線：