依托DISlab,拓展提升传统物理实验功能

信息技术与物理教学的整合,是物理教学的改革方向之一。在这种背景下,以传感器技术以及软件技术为核心的DISLab应运而生并得到了迅速推广。DISLab即数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory),是综合运用包括硬件、软件在内的信息技术手段构造的,集实验数据采集、显示、分析、处理等功能于一体的实时实验系统。它的使用成功克服了传统实验的诸多弊端,拓展和提升了传统物理实验的功能。

本文将通过实例分析DISLab对传统物理实验的拓展和提升。

1.数据显示的多样化

DISLab 将数据通过计算机屏幕显示出来, 而计算机强大的功能可以让实验数据同时具备数字、指针和波形等多种显示方式。 同时信号根据需要可以使用放大、“回放”等功能,微小量的放大使学生对物理规律的把握更加精准,而多样化的显示给观察者提供了多维的角度体验和数据。

2.弥补感官缺陷 减少误差

DISLab在数据采集中,可以代替人的作用。例如,在“验证单摆的周期性”实验中,传统实验要求学生用秒表计时的同时用肉眼观察单摆经过平衡位置的次数,这样自然会因人为引入误差;而利用DIS系统的光电门传感器能让传感器代替人的感官,并能达到精准地记录,这种代替是对实验操作水平的一种提升。

3.突破局限 展现过程和细节

传统实验受器材局限,测量精度和效率及过程展现存在很大局限,比如在电磁学教学过程中,需要能够测量微安级的微小电流信号,还需要测量磁场的强度。传统实验仪器在这方面恰恰存在欠缺,而DISLab提供的微小电流信号及磁场强度的探测手段,使“器材制约实验”的局面得以改观。再比如教材选修3-2中电感器对交变电流的作用实验,频率的影响往往就用“还有实验证明”一笔带过。我们在实际教学过程中对这个实验进行了改造,既不改变原来传统实验的基本结构,又同时引进了DISLab系统,这一小小的整合效果非常显著,它既能保证从灯的亮暗上直接判断电感器对交变电流作用的直观性,又能同时获取详尽准确的电流、电压数据,电感器所在电路中交流和直流电流;还可以进一步得到不同的线圈匝数电流的对比图和不同频率时电流的对比图。这些对比图象,突破了传统实验器材的缺陷和局限,使实验更加准确,使更多定性的实验上升为定量实验。

4.数据高效处理 规律直观展示

传统的实验对获取的数据处理上人工需要花很长的时间,对一些复杂的关系甚至无法处理,DISLab的软件能针对传感器测量到的真实数据进行分析和处理。DISLab具有“数据计算”(包括函数计算和任意次方)、“物理公式库调用”等多项功能。可在实验坐标内直接点出实验数据点(离散点),并拟合及计算。例如在研究加速度与力的关系利用DISlab光电传感器,获取时间和长度,根据加速度的公式直接由计算机处理可以得到加速度,整个实验从数据的记录到数据的处理一气呵成,做到高效而准确,同时还可以通过图像的直观展示,使学生对规律认识更加深刻。

5.扩展探究范围 活跃学生思维

《楞次定律》是电磁学的重点和难点。教材有这么一道经典的习题,题目如下:若条形磁铁下无闭合线圈,磁铁会振动较长的时间才停下来,若条形磁铁下有闭合线圈,磁铁振动会较快地停下来,要求解释此现象。

可以将本题开发成实验,作为《楞次定律》一节中的一个理解楞次定律电流方向的判定和能量转化的实验出现。既显示出了随时间的延长,线圈中感应电流在衰减,并对感应电流的方向有了明确的认识;还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节,使学生对“电磁阻尼”的理解更加容易和透彻。

该实验一定会引起学生的极大兴趣,学生们动手得到了实验数据,热烈地讨论图象的物理意义,在对楞次定律有了更进一步理解的同时活跃了学生的思维。

DISLab强大的数据采集和智能化处理功能,使教师和学生从数据读取、记录、公式计算、图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来,是人体的延伸。学生也非常容易地建立起“实验数据→物理现象→物理本质”之间的基本思维模型,是对传统物理实验功能的全面提升。