数字化实验技术在物理实验中的应用（精选五篇）

第一篇：数字化实验技术在物理实验中的应用

数字化实验技术在物理实验中的应用

戴儒京（江苏省特级教师）

所谓数字化实验技术，是以数字化设备为实验数据采集处理的工具、配套其它实验器材构建的现代化实验技术。数字化数据采集处理系统，由传感器、数据采集器和计算机组成。

以数字化实验技术为基础的物理实验，就是建立在上述实验仪器、实验技术、实验方法基础上的物理学实验。

数字化实验，是课程标准教科书的要求和需要，也是新高考和中考的要求和需要。也是物理学科发展的要求和需要。

实验是学习和研究物理学的最基本的内容、方法和手段。实验，包括学生实验和演示实验以及小实验等，要把传统实验和数字化实验结合起来。只有实验，才能学到真知识；只有实验，才能培养真人才；只有实验，才能真正提高教学质量。

数字化实验，是计算机辅助实验。课程标准教科书专门安排了一些电子计算机辅助实验，如：借助传感器用计算机测速度（教科书《物理》必修1 P25）、用传感器观察电容器的充电和放电（选修3-1 P31）等等。电子计算机，是现代化的标志和体现，学生通过用计算机做实验，不仅学了物理学，也学了计算机，可谓一举两得。

数字化实验，是新实验，不仅是新仪器，也是新方法。例如霍尔元件、斯密特触发器等实验。一些教师开始接触，不太了解，不太熟悉，往往有把数字化实验室闲置或充当门面。通过做实验，他们熟悉实验、熟悉仪器，并可能在应用的过程中有所创新，使数字化实验室充分发挥作用，以物尽其用。

1.数字化实验：传感器的应用实验

课程标准教科书《物理》不仅把传感器作为单独的一章知识内容，而且把传感器的应用实验（选修3-2 P70）作为学生实验和演示实验，新的高考大纲中也把“传感器的应用”实验作为高考内容。传感器在现代生活和工业、科技中也有广泛的应用，学生在实验中接触和了解传感器，对他们的高考和将来从事科学研究及工农业生产也不无帮助。

实验1.传感器的应用实验——光控开关

简单光控开关 背景资料： 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。施密特触发器在数字电路及控制领域有广泛的应用，它属于电压触发方式，当输入电压达到某一阈值时，输出电压会发生突变，最重要的一点是，输入电压增加或减少时，电路有不同的阈值电压。以下图1为例 图 1 当输入电压Vi，当输入电压由低电位开始增加，如果ViVp状态开始减小时，当电压减到Vi=Vn时，输出电压Vo突变为高电平。施密特触发器的一大特点是Vp>Vn，Vh=Vp-Vn，以型号HEF40106B施密特触发器为例 图 2 Vp=3.0V，Vn=2.2V，而Vh0.8V。把VDD接上5V稳压电源，VSS接地时，图2是型号HEF40106B触发器的引脚示意图，由图可以看出，在同一块集成片上分别做了6块独立的施密特触发器，如果使用第1块，只需要在i1接输入电压，在o1接输出电压，然后分别把VDD到稳压电源，VSS接地，就可以工作了。

实验原理：

图 3

将电路按图3连接，RG为光敏电阻，R1，R2为电阻箱，LED为发光二极管，A点为施密特触发器的输入端，Y点为施密特触发器的输出端。适当选择R1，R2的阻值后，当外界光线很强时，RG上的电阻相对比较小，A点的电压小于Vp，Y点输出高电位，发光二极管两端的电势差很小，因此不能发光，当外界光线变弱时，RG上的电阻显著增大，A点的电压也显著增大，当增大到Vp=3.0V时，Y点输出低电位，发光二极管两端有大约5V的电势差，发光二极管开始正常发光，如果光线强度又进一步开始回升，RG上的电阻减小，A点的电压也开始减小，当A点的电压小于Vn=2.2V时，Y点又输出高电位，发光二极管熄灭。

为了更直观地了解整个电路工作过程，在分别用两个电压传感器对A点和Y点的电压进行实时测量，光强传感器测量，显示外界光线变化对电路的影响。实验目的：

了解简单光控电路，对自动控制有初步理解。实验装置：

计算机，数据采集器，光强传感器，两个电压传感器，两个电阻箱，施密特触发器，发光二极管，导线若干，学生直流电源。实验步骤：

1．先按电路图连接各个器件，并注意发光二极管的极性，和施密特触发器的引脚，具体情况可以参照前面的示意图，将VDD接到稳压电源的正极，VSS接到稳压电源的负极，i1接输入电压对应电路中A点，o1接输出电压对应电路中Y点。

2．调节R1，R2电阻箱的阻值，选择合适的电阻，将两个电压传感器与数据采集器的1，2通道连接，把光强传感器连接到3或4通道，然后将数据采集器与计算机连接，开启采集器电源，进入实验专用界面。

3．把两个电压传感器的两个信号输入端的分别导线短接，对电压传感器进行较零，然后把连接1通道电压传感器的信号正极接到电路中A点，同时把它的负极接到稳压电源的负极，也就是电路中的地，然后把2通道电压传感器的信号正极接到电路中Y点，同时把它的负极接到稳压电源的负极。

4．把光敏电阻的感应面朝上，将光强传感器与光敏电阻放置在一起，在采集间隔和采集数量窗口输入合适的数值，点击开始按钮。

5．用一块大的挡光物将光敏电阻附近的光线慢慢挡住，观察实验数据曲线，同时注意二极管的发光情况，当它开始发光以后，再慢慢把挡光物撤掉，结束实验。实验数据记录与分析： 1．输出电压与输入电压曲线

2．外界光强与输出电压数据关系

本次实验中R11500，R22000，从图上可以看出当光强为I139lux时，发光二极管发光，而当光强为I244lux时，发光二极管熄灭。

2.数字化实验：探究性实验

课程标准教科书不仅把原教科书的一些验证性实验改为探究性实验，而且新安排了一些探究性实验。这些探究性实验，用数字化实验仪器和方法去做，更为便捷。例如探究加速度与力、质量的关系（必修1 P75）、探究功与物体速度变化的关系（必修2 P17）等实验。通过探究性实验，提高学生研究、探究的能力，为培养创新能力打好基础。

实验2.探究（恒力做）功与物体速度变化的关系动能定理）

（动能定理（恒力）实验原理 牛顿第二定律讲述的是力与加速度之间的瞬时关系，表达式为： F = m a（1）其中，F是作用在物体上的合外力，m是物体的质量，a是物体的加速度——速度的时间变化率，表达式为： avdv 或 a（2）tdt2把（2）式代入（1）式，并将（1）式两边对位移积分（由x1到x2），可以得到： W = ∫Fdx = mv2/2-mv1/2 = Δ(mv2/2)= Δ E k(3)2其中，W为从x1到x2的区间内，合外力F的功，v1 和v2分别为物体在x1和x2处的速度，E k为物体的动能。也就是说，合外力的空间积累效应表现为物体动能的改变。在本实验中，我们探究在恒定拉力的作用下，小车的动能随时间变化的关系。其中，拉力由力传感器测得，速度由固定有挡光滑轮的光电门传感器测得，动能由速度的平方乘以质量的一半得到。实验目的 通过对（恒定）拉力和速度的测量，探究合外力的功与物体动能变化的关系。实验装置 SWRDISLab-100III数据采集器、光电门(Photogate)传感器、力传感器、动力学系统(包括导轨、小车、滑轮和支撑杆等)等。实验步骤 1.按图连接实验装置（注意平衡摩擦力）； 2.测量并记录小车和钩码的质量（第1次：小车402.81g，钩码19.91g）； 3.打开SWRDISLab软件，点击“教学专用软件”，进入“物理实验列表”中的“力学”部分，选择“动能定理（恒力—Photogate）”； 4.点击“校零”按钮，对力传感器进行校零； 5.设置“采集间隔”为5ms，“采集200个暂停”，以及“共采集200条数据”； 6.让小车静止在靠近光电门传感器的一侧（钩码将细绳拉紧），点击“开始”按钮； 7.当“开始”按钮的颜色变“灰”时，释放小车； 8.当小车运动到靠近支撑杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮； 9.观察“力—位移”、“速度—位移”和“动能—位移”关系曲线的特点；

6.当“开始”按钮的颜色变“灰”时，释放小车；

7.当小车运动到靠近支撑杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮； 8.观察“力—位移”、“速度—位移”和“动能—位移”关系曲线的特点；

9.任选一个位移区间，对力进行积分，并比较积分值和两个区间端点处动能的差； 10.改变钩码和小车的质量，重复步骤6~10（第2次：小车402.81g，钩码30.35g）。

实验数据的记录与分析

a)“力、速度 vs.位移”图表（小车402.81g，钩码19.91g）：

由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后两组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，但是动能的变化率几乎恒定。

b)力做的功与动能的变化（小车402.81g，钩码19.91g）： 如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为WFS0.0630 J，两个区间端点处动能的差为0.0594 J（= 0.0832－0.0238），力做的功略大于动能的变化，二者近似相等，相对误差为5.71 %。

3．“力、速度 vs.位移”图表（小车402.81g，钩码30.35g）：

由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后4组读数），随着位移的增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，动能的变化率几乎恒定。4． 力做的功与动能的变化（小车402.81g，钩码30.35g）：

如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为WFS0.0911 J，两个区间端点处动能的差为0.0870 J（= 0.1269－0.0399），力做的功略大于动能的变化，二者近似相等，相对误差为4.50 %。

误差分析

1． 滑轮与力传感器挂钩之间存在摩擦力，使得力传感器测得的读数大于小车拉力的二倍；

2． 随着速度的增加，小车受到的（滚动）摩擦力略有增加； 3． 拉力做功的一部分转化为两个滑轮的转动能。

关键点

1． 抵消摩擦力。

注意事项

1． 采集间隔取默认值5ms，如果使用更大的采集间隔，那么当小车的运动速度很快时，位移的测量有可能出错；使用5ms作为采集间隔时，钩码与小车的质量比必须小于3/10。

3.数字化实验：应用传感器做实验，有些传统实验，用数字化方法即用传感器和计算机去做，也比传统的方法更方便，数据处理更快、更准确，图象更清晰、更迅速。

例如可以用位移传感器或光电门代替打点计时器做探究小车速度随时间变化的规律（必修1 P34）等实验。用电流传感器和电压传感器代替电流表和电压表，做测定小灯泡的伏安特性曲线（选修3-1 P48）、测定电池的电动势和内电阻（选修3-1 P72）等实验。除“传感器的应用”实验外，还有许多用传感器作为实验仪器的实验，例如用传感器和计算机描绘简谐运动的图象（选修3-4P5）等等，我们统计有十几个。可以说：几乎所有的实验都可以用数字化方法做。实验3.测定电池的电动势和内电阻

测定电池的电动势和内电阻 背景资料：

通常的金属导体都是以金属键结合的晶体，处于晶格结点上的原子很容易失去外层的价电子，而成为正离子。脱离原子核束缚的价电子可以在整个金属中自由运动，称为自由电子，在不受外电场作用时，自由电子只做热运动，没有宏观的电量迁移，因而金属中各个部分都呈现电中性。当金属中存在静电场E时，金属中的自由电子在外电场的作用下，相对于晶格离子作定向运动，电子运动中必然与晶格相碰撞，达到某种平衡后，金属中电子有一个整体上的平均速度，导体中有稳定的电流，前面的分析都建立在导体中的静电场E是相对比较稳定的前提上。

如果将一个已经充好电的电容器的两个极板用导线连接起来，构成闭合回路，电路中就有电流通过，不过随着极板上带电量的减少，它们之间的电势差也在减少，电流很快就消失了。在电池的两个正极和负极上，分别带有正电荷和负电荷，当接入电路回路后，导线中的电子在电极电荷产生的静电场中开始运动，形成电流，如果两极上的电荷量得不到补充，那就不可能形成稳定的电流输出，电源的作用，不管是化学的电池，还是像范德格拉夫起电机之类的电源，都是将电荷从负电极搬运到正电极，这种搬运工作只能靠某种非静电力来完成，假设非静电力在搬运过程中做功qu，那u就是电源电动势，q为载流子的电荷量。实验原理：

图1 如图1所示的闭合电路中，电源的电动势为，内电阻为r，负载电阻为R，电路中的电流为IRr，可以看出，当负载电阻R足够大时，因为它和内电阻是串联在一起的，它两端的电压将非常接近于电源电动势，当R，即所谓开路或断路时，I0，U；当R0，即短路时，IImax

负载电阻两端的电压为Ur，这时候的电流最大。

RrR，也可以写为URrr，而电流为IRr，因此有UIr，这个关系在伏安曲线上表现为Umax，I0，也就是R时。如果R0，U0，Imaxr。在实验中用滑动变阻器做负载电阻，改变它的电阻，以同时改变电流和电压，在软件中作伏安曲线图后，取拟合线，线的斜率的绝对值就是r，曲线与纵轴的交点就是Umax，I0点，可以测出电动势。实验目的：

简单测量电池电动势和内阻。实验装置：

计算机，数据采集器，电池，滑动变阻器，电流传感器，电压传感器，导线等。实验步骤：

1．将数据采集器与电流传感器，电压传感器连接，然后将数据采集器与计算机连接，开启采集器电源，进入实验专用界面。

2．把电流传感器，电压传感器的两个信号输入端的导线分别短接，对电流传感器、电压传感器进行校零。3．按实验电路连接电路图，在专用界面的底部输入合适的采集间隔和采集数量，闭合开关，点击开始按钮，进行实验测量。

4．将滑动变阻器从最大滑为最小，或者从最小滑到最大，得到伏安曲线，然后对伏安曲线进行线性拟合。实验数据记录与分析：

1．电压变化：

2．电流变化：

3． 伏安曲线：

从图象可以得出，电池的电动势为E7.003V，内阻为r27.407。

数字化实验仪器，包括传感器、数据采集器和实验软件，是新仪器、新器材、新设备。南京师范大学苏威尔科技有限公司研发、生产的传感器、数据采集器和实验软件，以及配套使用的实验器材如动力学系统（包括滑轮、小车、滑轨、支架等），电磁学系统（如逻辑门电路、施密特触发器、霍尔元件实验等）等，是国内具有先进水平的数字化实验仪器，可以满足新课程对物理实验的要求和需要，可以促进物理实验教学质量的提高，可以促进物理实验的数字化、现代化。

第二篇：小实验在物理课堂中应用

小实验在物理课堂中应用

在新课程的教学背景下，有了新的教学理念、手段及方法，而“情景教学”是物理教学的一种重要手段。教学中“情景”的设置可以是文字描述的形式，也可以是多媒体动画形式，当然最具体、最生动、最有吸引力的还是小实验。小实验由学生直接参与，让学生有一种身临其境的体验，获得的知识也来自于他的直接经验，这样不但可以激发学生的学习兴趣，而且有助于培养学生的各种能力，发挥学生的潜能和创造力的培养，同时还能对学生进行物理思想与方法的教育和培养，将直接影响教学效果。

一、运用小实验，激疑导入，营造物理情景

对于物理课堂教学能否成功，新课的成功引入是非常重要的环节，所以新课导入是课堂教学中的一个重要环节。用小实验作为新课引入，不失为一种非常优秀的手段之一。因为由小实验所创设的情景，能向学生提供新颖、奇特、惊险、多变等强烈的感觉刺激，有助于吸引学生的眼球，使学生的思维快速地集中到课堂中来。同时小实验中所出现的现象往往出于他们的意料之外，而学生的好奇心会促使他们想知道为什么会出现这样的现象而积极地思考并渴望得到答案，这样有利于学生产生想认真学习这节课的想法，从而使学生从被动学习转变到主动学习，达到教学的目标。

『典例１』在讲授《自由落体运动》时，先引导学生做一个小实验：测反应时间。教师先提出问题：同学们的反应一定很快，想知道你们的反应时间是多少吗？我这里有一把能够测量反应快慢的尺子（尺子事先在背面贴上位移对应的时间），哪位同学愿意上来测量一下？接着介绍规则：请一位同学把手放在尺的下部10cm处，做好捏住它的准备，眼睛盯住老师的手，当看到老师松手的动作后，立即用手指捏，越快越好。并记下捏住的刻度。然后请告诉大家你捏住的刻度，是多少？教师结合尺的背面的时间刻度宣布：实验者的反应时间是××？学生很惊奇，想知道其中的奥秘。教师乘机说，今天我们来共同研究尺子下落的运动----自由落体运动。这样增强了求知欲，又顺利地引出了新课。

『典例２』在讲授《力的分解》时，教师先做一个小实验。用一根细线穿过重锤的钩子，可以把重锤悬挂起来，先将细线的两端点合拢，然后慢慢分开，当两线分开到某一夹角时，只听“轰”的一声，重锤落到桌面上。此时教师向学生提问：在两细线的夹角逐渐增大过程中，为什么细线会断裂呢？为了解决这个问题，本节课我们来学习的新的知识---力的分解，从而引出新课。这样学生将带着疑问来学习探究新课。

二、运用小实验，澄清认识，感悟物理世界

在学习某些物理知识前，由于先入为主和生活经验等原因学生会形成错误认识。为了纠正学生已形成的错误认识，建立正确的物理概念，充分挖掘物理教学的丰富内涵，巧妙利用小实验所展示的新奇的实验现象，同时抓住疑点巧妙运用设疑技巧，适时引导学生发现问题，从中感悟物理世界，收到很好的教学效果。

『典例３』在讲授《自由落体运动》时，为了建立正确的自由落体模型，我设计了以下对比实验。先从同一高度由静止同时释放一个铁球和一张纸片，结果铁球下落快。学生结合日常生活的经验就大胆认为，重物下落快。教师追问，这个结论是否具有普遍性呢？接着做实验，取两张相同的纸片，将其中一张用剪刀剪去一半，剩下的一半揉成纸团，再次从同一高度由静止同时释放纸团和纸片，结果观察到纸团下落快。学生仿照前一个实验的分析，得出结论：轻物下落快。教师进而提出：“两个实验为什么会得出相反的结论呢？”。学生思考后回答，物体下落的快慢与轻重无关，纠正了“重物下落快”的错误认识。教师引导：是什么共同的原因使纸片比铁球和纸团都下落得慢呢？学生想到：纸片受到空气的阻力作用比较大．然后再过渡到另一组对比实验，分别取三个相同深度的量筒A、B、C，并排放在水平桌面上，量筒B和C分别装上清水和洗洁精配制的溶液，将三个相同铁球同时同高度释放，观察到钢球运动的快慢不同，这说明阻力对物体的运动有影响，且阻力越大，对运动的影响越大。接着在量筒C里面再做实验，取形状和体积完全相同的铁球和塑料球，同时同高度释放，结果铁球运动快。从而得到阻力相对重力越小，对运动的影响就越小。教师再引导，如果没有阻力，物体下落的情况回怎样？自然地引出“牛顿管”实验，用抽气机抽走牛顿管中的大部分空气，里面近似认为是真空状态。将管中的羽毛和铁片同时同高度释放，结果观察到下落一样快。最后得出关键性的结论：没有阻力，物体只受重力由静止开始下落的运动的快慢都是相同的，物理上就把这种运动叫自由落体运动。

这些小实验虽然过程非常简单、操作也很方便。而且学生亲手操作增加了实验的真实性，也提高了学生的吸引力，而对直接参与的实验者来说，既满足了好奇心，也有了成功的体验，从中感悟到物理世界的奇妙。

三、运用小实验，参与合作，探究物理规律

在新课程的理念下，把培养学生的合作学习能力和探究能力放到特别重要的位置。探究式学习是通过发现问题、研究探索，从而获取技能的一种学习形式。这种学习形式的关注是探究的过程，培养的是学生的思维能力特别是创造性思维能力的培养。在物理课堂教学中，老师必须选择时机，精心设计小实验来培养学生的合作、探究能力。

『典例４』在讲授《曲线运动》时，要求学生利用提供的器材设计实验探究物体做曲线运动的条件。提供的器材是为光滑玻璃板、小钢球、磁铁和加速斜槽。学生分小组合作，先制定实验方案，然后进行探究，最后交流展示。学生的实验探究过程与结果记录如下。

实验条件及结果记录表格：小球在玻璃板上的运动初速度：沿水平标志线向右.最后得出结论：物体做曲线运动的条件是受到合外力，且合外力与速度不在同一直线上。

虽然是小实验，如果采用生活或实验室中的一些常见易得的器材来完成，这样让学生们觉得接近生活实际，更加相信物理就在我们的身边，同时对物理教学起着十分重要的作用，在我今后的物理教学中将会起到更大的作用。

四、运用小实验，验证应用，掌握物理知识

为了让学生理解知识、掌握知识，最终能灵活应用知识。虽然在物理知识很多来自于生活实际，但高于生活，尤其是有些知识又非常抽象，单凭学生自己的生活经验以及现有的知识很难理解，而教师则可以通过精心设计一些小实验，增加学生对知识的感性认识，从而使知识变得容易理解和掌握。

『典例５』在讲《机械能守恒定律》内容结束时，设计了一个小实验来结束新课：取一只小水捅，内装半桶水，用尼龙绢悬挂在天花板上如图所示。请一个学生紧贴墙壁站好，双手捧起水桶。让它距学生的鼻子1cm。然后将水桶轻轻释放，让水桶来回摆动。水桶经过一个摆动周期，又会向学生的鼻子撞来。这可不是看立体电影，而是一个贷真价实的运动着的水捅。学生若没胆过，肯定会逃走。倘若学生相信机械能守恒原理的话，一定会坦然地站在原位置上上，并深信水桶绝不

会碰上你的鼻子。问题就看学生敢不敢做这个实验,看看谁“真正相信（学会）了刚才学习的知识”。

这个小实验使同学们的积极性大大提高，既动手又动脑，巩固了所学的知识，达到了很好的教学效果。

『典例６』在讲授《力的分解》中的斜面上物体的重力分解时，教师设计了一组小实验。取一块长方形的夹板碎片，将一端放在平整的桌面上，另一端垫上书本，让夹板碎片形成一个斜面，将一个带有轮子的小车放在斜面上（忽略摩擦），手通过连接小车的橡皮条拉住小车。使小车静止，观察。观察发现，与小车连接的橡皮条拉长了，说明小车有沿斜面向下的分力（重力的一个分力）；同时看到夹板发生弯曲，说明有垂直斜面向下的分力（重力的另一分力）。如果在小车上加上几个钩码（即增加了车的重力），再观察。观察发现，斜面的弯曲程度变大，与小车相连的橡皮条变长了。这说明重力的两个分力因重力的增大而增大。如果改变（增大）斜面的倾角θ，重复上面的实验，再观察。观察发现，斜面的弯曲程度变小，而与小车相连的橡皮条变长了。这说明，斜面上物体的重力的两分力方向为沿斜面向下和垂直斜面向下，F1使物体下滑（故有时称为“下滑力”），F2使物体压紧斜面（如图）．其大小与斜面的倾角θ有关，且垂直斜面的分力

F2随倾角θ的增大而减小，沿斜面向下的分力F1随倾角θ的增大而增大。即验证

了两分力F1=mgsinθ，F2=mgcosθ的正确性。

第三篇：朗威数字化实验设备在物理教学中的应用

朗威数字化教学设备在物理教学中的应用

胶州市第十五中学

在物理教学过程中应用朗威数字化实验室可以精准的测得数据并且可以用数据画出曲线，化抽象为具体，将复杂的问题简单化、直观化。

在初中物理实验教学中我们经常用来探究的几个实验课题有：

机械运动一章中测平均速度，利用位移传感器测小车从斜面滑下的速度，计算机把不同时间测出的物体的速度显示在屏幕上，学生可以直观看出速度的增大还是减小。

声现象一章中研究声音的特性，利用声音传感器，用计算机显示出波形，通过波形分析声音的特性。

内能一章中用温度传感器研究不同物质的比热容等。

现以研究不同物质的比热容为例简单介绍一下朗威数字化设备的使用过程。

实验原理：相同质量的不同物质，在吸收相同的热量时，升高的温度不同。

实验器材：朗威数字化设备、计算机、温度传感器两个、烧杯一个、试管两个、三脚架、石棉网、酒精灯、铁架台等。

实验步骤：

1.将两个温度传感器接入数据采集器。

2.用天平测量20g的食用油和水，分别倒入试管中。

3.将两个试管放入盛有水的烧杯中，用水浴加热，并将温度传感器的金属探头分别深入到试管中的相同深度。

4.打开计算表格，将两个传感器，记录时间设置为5s

5.点燃酒精灯开始加热，加热时间相同，点击结束，得出两组数据。

6.利用绘图工具，设置X轴为时间，Y轴为温度，将两组实验数据绘制在同一坐标中。

朗威数字化设备在实验教学中便捷高效，直观明了，有助于根据实验数据拓展学生的分析能力和创新实验能力，今后教学中将进一步加以推广应用，以此完成更多的实验探究。

第四篇：数字化实验在物理教学中应用的实践与思考

数字化实验在物理教学中应用的实践与思考

天津市红桥区五爱道风光里55号红桥教育中心 孙鸿毅

摘要：随着国家新一轮课程教材改革的推进，数字化实验室进入课堂，打造出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，通过数据图表和图象展示现象、揭示规律。从2005年10月起我们将传感器引入高中物理教学，经过一年的探索，分别在力、热、电三方面选取典型课例进行了实践。本文试从教研员的角度，就引领老师们进行实践课例的探索，提出数字化实验室应用的方式、效果和值得注意的问题，以与同行切磋和研讨。

关键词：传感器 探究教学 教师水平学生能力

一、问题的提出

随着全球信息化的飞速发展，加速推进了我国教育现代化的步伐，教育的信息化是教育现代化的重要特征之一。《基础教育课程改革纲要（试行）》指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”

2004年11月在湖南召开的全国第六届物理青年教师教学大赛上，上海和深圳选手将数字化实验室引入比赛现场，让我第一次看到数字化实验的方式和效果，亲身感受了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。关注、引领物理教学的前沿是教研员的责任，2005年3月起，在我区教研活动中用录象课、请传感器公司来人示范等方式广泛宣传数字化实验，进一步激发了老师们实验的热情。从2005年10月起引领老师们将传感器应用于高中物理教学的教改实验中。

二、对数字化实验设备和结果的简介（如图1）

1．传感器：数字化实验的核心部件。“感”将物理量转化成电信号；“传”将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中是一个位移传感器。

2．数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机，可以说是传感器与计算机连接的转换器。

3．实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、开关、线圈、磁铁等。

4．计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。

5．实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象，物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。

由此可知，数字化实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。

三、应用数字化实验典型课例分析

1．在力学中选取课例是《摩擦力》。

《摩擦力》是高中物理最重要的概念之一，新课程标准对本节的要求之一是通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律，并能用动摩擦因数计算摩擦力。实验原理是让木块匀速运动，应用二力平衡的知识用拉力来反映摩擦力。

传统教学中采用图2的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木块，学生通过观察木块从不动到运动的过程中弹簧秤示数的变化，来认识摩擦力。但由于仪器较粗糙，数据的变化不易看得很清楚，本实验大多情况下作为了一种模糊的定性研究。用传感器参与本实验，实验原理不变。但图2中的弹簧称换为力传感器效果也不好。于是我们想到用图3的装置，将力传感器固定，感知力的一端通过一段弹性不大的细绳与木块连接做本实验，这样木块始终与地保持相对静止。拉动木板，在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势，木块与木板间有静摩擦力，木板运动起来，木块与木板有滑动摩擦力，由于木块始终相对静止，因此各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力。实验数据传入计算机，木块抽动过程中拉力的变化以图4中的红线形式展示。这样木块由不动到运动中摩擦力的变化就通过拉力变化的图线清楚的呈现给学生。

对图象做进一步分析看出图中的①表明木块还未受到拉力时完全静止的一个过程，木块受拉力为零，因此摩擦力为零。图中②体现木块与木板相对静止时在不动到滑动的过程中静摩擦力随拉力的增大而增大，图中③是物体动与不动的分界点，此时的摩擦力是最大静摩擦力，图中④体现的是物体的运动过程，图中清楚显示滑动摩擦力小于最大静摩擦力，且在运动中保持一个定值。所以通过图4的完整图线很好的反映了学生认识摩擦力的第一个层次──感知摩擦力。

第二层次是在此基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩擦力的影响。图5对应的是木块放在毛玻璃表面，图6是木块放在包装纸的表面。两图表格中的“平均”显示的是在毛玻璃表面分别施加三个压力和在包装纸表面分别施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，也就反映了各次滑动摩擦力的大小。测量木块重1．5N，在木块上依次加250 g砝码，使正压力依次为1．5 N，4 N，6．5 N。再将得到的数据用Excel处理得到的如图7的图、表，这样处理本实验既分析出滑动摩擦力与正压力间的正比例关系，又知道这个比例系数由接触面的粗糙程度决定，更可以算出相应的动摩擦因数，且控制变量法也一目了然。

由以上分析可以看出，传感器的介入提升了实验数据分析的层次。图象的展示进一步培养了学生的观察能力和分析能力，让教师无须语言的赘述，学生对摩擦力的认识通过理性的数学分析得出，使学生认知水平得到提升，将教学内容由过去的粗糙丰富为严谨、科学。本课作为我区传感器进课堂的公开课2006年11月间在全区展示。

2．在电学中选取课例是《楞次定律》的习题课。

《楞次定律》是电磁学的重点和难点。图8是现用高二必修加选修第211页A组第2题（该题和图同时是选修3-2第31页的第2题），题目是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，磁铁振动会较快的停下来，要求解释此现象。

我们将本题开发成实验，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。将图8按照图9组装，可以得出图10的图象。从图中清楚的显示出随时间的延长，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。图10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”的理解困难迎刃而解。

本实验曾引起了学生的极大兴趣，学生们自己组装实验，并从实验开始就认真盯着大屏幕逐渐显示出的图象，当磁铁停止振动后都很认真的读着数据，热烈地讨论图象的物理意义，对楞次定律有了更进一步的理解。电流传感器在本节课的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。本节课参加2006年7月在深圳召开的第四届“全国中小学信息技术创新与实践活动”评比，获得一等奖。

3．在热学中选取课例是《内能的改变 热量》。

图11展示的是用热传感器反映气体内能变化的实验。实验的主要器材是一根被改制的自行车内胎，即用紧箍和一段玻璃管与车胎组成密闭容器，将温度传感器伸入到玻璃管中，以便学生能够观察到传感器。图12是得到的数据图，当用手握住玻璃管部分，由于热量的传递，管内温度升高通过气体传给传感器，图线中①反映了这一过程，图线中②反映移开手后的降温过程，图中①、②共同反映了热传递改变内能的过程。而图中③部分是对车胎放气显出的温度变化，④是放气过程结束，温度向室温恢复。当用打气筒给车胎打气，图中⑤明显反映了对气体做功引起物体内能增大，温度升高。这样不易感知的温度变化通过图线带给学生深刻的感受。

四、对数字化实验进入物理教学的思考

1．转化教师观念，正确理解信息技术与物理学科整合的内涵。

实验是物理学的基础，每一个物理概念和规律都是建立在相应的实验基础上。传统的物理实验教学中由于仪器的落后以及实验条件的限制，很多物理实验只能做定性分析，教师让学生观察实验现象，启发学生对现象进行推理、分析最后得出正确的结论。虽然推理是物理研究的重要方法之一，有利于培养学生的分析推理能力，但教学中大量使用不仅会让老师的动手能力下降，学生更看不到真实的实验，难以真正理解物理的学习实质。而数字化实验使教师认识到，教育的信息化不是简单的把课堂搬个家，而是通过信息技术手段，使教育资源配置更优化，教学过程更高效。信息技术不是作为辅助教师教学的演示工具，而是要实现信息技术与学科教学的“融合”，要培养学生学会把信息技术作为获取信息、探索问题、协作讨论、解决问题和构建知识的认知工具。

2．巩固物理实验的地位，促进教师的实验能力和分析水平的提升，让教研落到实处。

传感器只是一个传递信号的仪器，图像也只是一个图片，但教师要设计实验、引领学生认识图象，挖掘图象的含义，这就为教师发挥自己的能力提供了广阔的平台。同时数字化实验也为教研活动开辟了新的道路。

在准备《摩擦力》一节时，我和参与教师都表现出极大的兴趣，一遍又一遍在不同的接触面上做实验，最后确定了接触面分别用毛玻璃和一种包装纸。会后引进传感器的学校高一年级教师都用这种方法讲授了这一节，完成了新课标的要求，也在学生中引起极大的兴趣，无形中提高了物理教学的实效性。

用热传感器反映气体内能变化的实验仪器，最初是传感器公司提供给我们的。但当授课教师通过《内能的改变 热量》一节展示出来的时候，教师们的惊奇和赞叹表露无疑。课后上交的评课记录上老师们都很深刻的写下了对数字化实验的认识，青年教师更写出了愿意多参加并参与到这样的活动中来提高自己实验和分析能力的愿望。

3．深化探究教学，着眼于科学方法的教育，培养学生研究问题的科学习惯。

新课程理念之一是“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。从《摩擦力》一节分析可知，对物理概念的建立，物理规律的形成过程需要学生揣摩的实验，引入传感器会收到事半功倍的作用。同时引入传感器可以开发课本资源，变课本习题为实验，深入挖掘习题蕴涵的道理，可以改进原来做不出的实验。这样又为物理学科的研究性学习提供了内容。

传感器的引入更强化了用数学分析物理问题的意识，让物理实验具有更高的真实性，让学生对科学方法有了亲身体验。物理学的发展离不开数学，学好高中物理更离不开数学。爱因斯坦说过，数学给予精密的自然科学以某种程度的可靠性，没有数学，那些学科是达不到那么高的可靠性的。图象的充分利用是强化数学在物理教学中的作用的一个重要体现。如上面所述，温度给人们的感觉一直是亲身体验的冷热程度，而应用传感器，使学生学习到另一种感知事物的方式，那就是真实的数据同样会令人有身临其境的体验。久而久之会让学生养成一种研究问题通过“现象──实验──数据”的科学习惯。

4．唤起学生的问题意识，教会学生思维，大大提高科学探究过程的实效。

探究式教学是以探索、研究物理规律为出发点，以实验活动为中心，以学生的可持续发展探究能力的培养为根本的一种教学方法。探究式教学强调“猜想—验证—归纳”的科学探究过程。普通实验的定性研究和引入传感器的定量研究相结合，教师通过对比，使学生做有知的猜测，可以鼓励学生积极参与，唤起学生对问题解决过程的认识，有助于开发学生的学习潜力，并教会他应对某一具体情况下可能需要的知识。实验证明，学生比教师接受数字化实验更快。《摩擦力》教学中学生对图5中物块从要动到运动之间不规则变化的曲线提出了疑问，在教师的引导下认识到这是由于板在拉动中细绳抖动造成的不稳定。

5．突出教师的主导地位，尊重学生的个体差异，让每一位学生都体验不同程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的进步。

传感器引入物理教学，更利于教师主导地位的体现。教师只要教会学生处理数据的方法，再遇到类似问题，只要做到点拨和指导，让学生在研究和归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律，这样学生最终不仅可以更深入地理解物理学的现象，而且可以学会物理学的一种精神，即独立思考、大胆假设和严谨探索实验的科学精神。

一幅图摆在学生面前，不同程度的学生会有不同的理解，但只要看出相关的问题，教师就可以给予肯定，尽可能调动学生的积极性；在同学们对解决问题的讨论中切磋，懂得互助，学会合作。

6．新仪器是时代进步的产物，推动教师脚踏实地的研究它，同时促进自己应对课堂的综合能力的再提高。

现代技术的不断提高，给教师带了机遇和挑战，教师要在新课程中体现自身的价值就必须再学习，必须接受新仪器，新手段。学会对传统实验进行“再挖掘”，为开发其潜在的教育和教学功能作好充分的研究。

新技术的使用不是花架子，它的使用丰富了传统的实验，在科学的基础上使实验有新的发展，并且丰富了学生的视野、开阔了他们的思路。但新技术的使用，对于刚刚接触这种研究手段的学生来说，理解起来会有困难，因此教师应该注重引导，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。

值得注意的是，越在以现代技术手段为支撑的教学活动中，协调好师、生与媒体三者之间的关系越显得尤为关键。由于媒体的影响，学生的注意力极有可能从教学活动中游离出来，从而影响教学，因此必须加强对学生活动的引导与控制，做到收放自如，使教学活而不乱。

综上所述我们感到，课程改革是随着社会发展、时代进步的必然进程，课程改革促进了教师再发展。新的教学模式需要教师的探索，新仪器需要教师的研究，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到发生和发展。数字化实验仪器的使用让学生的思维达到了更高的层次，数字化实验在我区仅仅是个开始，今后我们会继续将融入信息技术的探究课堂深入研究下去，以期得到更好的课堂改革经验，在课堂教学的实效性上的到更好的成果。

参考资料：

1．郅庭瑾．《教会学生思维》．教育科学出版社．2001年版

2．廖伯琴 张大昌．《普通高中物理课程标准（实验）解读》．湖北教育出版社

基于数字化实验系统的物理实验拓展的研究山东省邹平县第一中学

李进 摘要：从实验仪器、实验原理、实验目的三个角度论述运用数字化实验系统对物理实验进行拓展，提出从多个角度对物理实验进行拓展研究是探索数字化实验系统与物理课程整合的有效途径之一。

关键词：数字化实验系统 物理实验 物理实验拓展

实验是物理教学的重要内容和手段，是培养学生科学素养，提高学生能力的有效途径。信息化21世纪的标志，是当今世界经济和社会发展的大趋势，以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工具。在基础物理教学领域，信息技术与物理课程整合日益成为人们关注的热点，并取得了丰富的理论与实践成果。

一、问题的提出

1．信息技术与物理课程的整合的意义

信息技术与课程整合的内涵要求运用信息技术作为工具，使课程内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生的互动方式实现全新的变革，促进教学过程中的各个要素和环节实现全面优化。目前，信息技术与物理课程整合的方式主要有三种：以传感器的方式进入物理教学的实验领域；以仿真模拟的方式进入物理教学的思维领域；以网络通信的方式进入物理教学的交流沟通领域。将信息技术有效融合于物理教学过程来营造一种新型的教学环境，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学的方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使学生的创新精神和实践能力的培养真正落到实处。

2．数字化实验系统与物理课程整合的优势

数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数

[3]

[2]

[1]字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统。

3．新课程对数字化实验的要求

我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003年新公布的《普通高中物理课程标准(实验)》对信息技术与物理课程整合提出：信息技术要进入物理实验室，即重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。[4]高中物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等栏目也出现了数字化实验系统应用的案例。基于传感器和计算机技术的数字化实验系统为实现学习方式的多样化，引导学生的自主探索研究，进行广泛的体验、合作和交流提供了时间和空间，DISLab曾被乔际平教授誉为“科学分配教育时空的新探索”。

[5]

二、基于数字化实验系统的物理实验的拓展

数字化实验系统提供了一个新的实验探究平台，使学生能从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，从而有足够的时间对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究。同时，我们要认识到数字化实验系统与物理课程的有效整合需要先进的教育思想，它的合理应用本身就要求同时变革传统教育观念、教育思想与教育模式，代之以尊重人的主动性、首创性、反思性、合作性的全新的教育观念、教育思想与教育模式。笔者认为，数字化实验系统的优越性的充分发挥应基于新的实验教学理念，物理课堂是物理教学的主阵地，任何教学方式的改进都应该首先能够服务于课堂教学。从多个角度对原有实验进行拓展研究，是一个重要的研究方向。

1．实验仪器的拓展

实验仪器是物理实验的物质载体，实验仪器的有无、数量的多少、性能的优劣直接影响实验效果，影响课堂教学质量。数字化实验系统将实验数据数字化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合。尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其实验优势填补了传统实验中诸如微小量测量、暂态量测量等多个测量空白，这预示着它具有很强的拓展性。

⑴数字化实验系统与传统仪器的整合传统的物理实验是学生获取物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料，是培养学生基本实验技能的途径。数字化实验在延续传统的同时超越传统，是传统实验的拓展和延伸。数字化实验与传统实验的整合应能够服务于学科教学，适应学生的认知水平，以发挥最优化的教学效果。

[6]

教学活动中，我们可以使传统实验仪器与DIS实验系统相互配合，发挥各自优势。例如在“自感现象”的教学中，几十年来都在使用一种成品教板，由实验电路图1和图2分别演示通电自感和断电自感。用灯泡演示自感现象不能确切反映电流和电压变化的过程，电流较小时灯泡不能发光。灯泡无极性，不能显示电流的方向。另外，实验器材规格匹配性不好，实验现象的可见度低等缺点也会使实验效果不理想。数字化实验系统用传感器采集电流、电压，能实时保持实验数据并显示稳定的图像，有效克服了上述缺憾。笔者根据图3所示的电路，用两个电压传感器分别测量两个支路的电压，获得了图4所示的图像，图像清晰显示了通电自感和断电自感过程中两支路电压的变化。我们还可以在支路中接入电流传感器，分析电流的变化情况。这样，我们在教学活动中可以先通过传统实验仪器引导学生观察现象，获得感性认识，激发探究欲望，然后借助数字化实验系统深入探究自感现象的特点和规律。

另外，我们可以将传感器与传统实验装置进行组合，借助原有实验装置的结构原理，发挥数字化实验的优势。例如在探究弹簧振子的运动规律时，可引导学生对弹簧振子的物理模型进行拓展，分析水平方向单弹簧振子、水平方向双弹簧振子及竖直方向的弹簧振子等。研究水平方向弹簧振子的运动可用气垫导轨（或轨道小车），将气垫导轨的滑块（或小车）上固定位移传感器的发射器作为振子，振动过程中轨道小车的阻尼振动较气垫导轨的滑块更加明显。研究竖直方向弹簧振子的运动时，可直接将位移传感器的发射器作为振子。这样的实验数据依然来自传统的实验装置，只是数据采集和分析处理的手段借助数字化实验系统得到显著改观。

⑵数字化实验系统与“非常规”物理实验的整合

“非常规”物理实验，是指选择利用环境中“非专门化”的物质手段，不按固定方法或形式，人为控制条件、有目的实施的观察与探索物理规律的实验教学活动。在资源利用上，“非常规”物理实验是直接利用环境中“本来用途不是用来开展实验”的物质资源，包括生活易得物品、材料、器具、人体自身、交通工具、建筑设施、娱乐器材等，同时包括利用研发自制的实验器具。采用“非常规”物理实验开展教学活动能够采取灵活、简便的方法与形式，使实验过程体现自创性、体验性、趣味性、简易性与生活化。

笔者在教学实践中尝试开发“非常规”物理实验的教育教学功能，取得很好的效果。

例如，笔者利用DISLab系统对探究影响弹性片振荡周期的因素的实验进行改进。此实验原采用图5所示的装置分析弹性片长度和质量对振动周期的影响。通过实践研究发现，其实验装置尚有不足之处：其一，将钢尺插在纸盒的缝隙中，还需要将纸盒通过某种方式固定牢固；其二，钢尺只是插在纸盒的缝隙中，在振荡时难以保证钢尺伸出的长度不变，并且多次使用后纸盒缝隙处难免不被撕裂；其三，在钢尺上固定毛笔以及通过插橡皮块改变质量等方面操作很不方便。笔者就地取材，使用实验室中的台虎钳固定弹性片，通过在钢尺上吸附磁铁块来改变质量，器材组装如图6。

[8][9]

[7]

另外笔者认为，自制教具价格低廉，易于普及；简单明了，易于揭示物理规律的本质特征；而且易于使学生感到亲切，其中含有许多富有创造性的因素，因此因校制宜地发动任课教师创造教具，具有十分现实的意义。

笔者用饮料瓶、输液管、泡沫盒等自制一套实验装置，配合DISLab力传感器（见图7）借助其动态波形数据采集、求平均值、鼠标显示坐标值等功能对教材中分子间作用力实验（见图8）进行改进，利用力传感器高灵敏度等优点实现实验仪器微型化，直观显示出分子间作用力的存在，并且更换玻璃板、有机玻璃板、铝板，采集到同样的波形（见图9），进一步证明了分子间作用力的普遍性。

[10]

⑶数字化实验系统与虚拟仪器的整合

随着多媒体技术的发展，许多虚拟仪器的产生为物理实验教学注入了新的活力。利用虚拟仪器做实验，可以自行设置各种参数，以控制其达到理想的效果。曾有教师利用虚拟示波器软件与DISLab有效整合进行声波干涉实验有效克服传统实验的缺点，取得很好的效果。[11]虚拟仪器的应用突破了现有实验条件的限制，排除了各种干扰因素对实验的影响，它与数字化实验系统的整合值得深入研究。

2．对实验原理的拓展

实验原理，体现着物理思维，因此对实验原理的拓展，有利于训练学生的创新思维能力。对实验原理进行拓展，应该广泛考虑学科内外各部分知识之间的联系，综合运用各种实验思想和实验手段以达到最优化的实验效果。

在上述探究影响弹性片振荡周期的因素的实验中，用图5所示的装置获得图10所示的振动图像，这种采用较为传统的留迹法获得弹性片振动周期的方法存在一定的局限性。笔者使用磁传感器和微电流传感器，将弹性片的振动转化为磁感应强度和感应电流的周期性变化，通过易测量量获得难测量量，有效突破了操作难点。图11和图12分别是磁感应强度和感应电流周期性变化的图像，它们都可以反映弹性片的周期性振动。该实验采用电磁学的知识和测量手段来研究振动问题为物理实验的改进研究提供了很好的思路。

此外，笔者从开发组合实验，拓展学生思维的理念出发开发出“探究弹簧振子的振动图像”、“探究声波的振动图像”、“探究转速的测量”等系列实验，使用不同的传感器对同一物理现象进行探究，学生在探究过程中不断深化对学科知识之间的联系，体验物理学思维方法的无穷魅力。以“探究弹簧振子的振动图像”为例，笔者除采用位移传感器外，还采用了磁传感器、电流传感器、电压传感器、力传感器、微电流传感器等配合相应的实验装置获得了不同的振动图像，见图13。这种多侧面、多角度地研究同一物理现象，使学生体会到科学研究领域的“殊途同归”。

3．对实验目的的拓展

传统的物理实验多是验证性实验，学生对教材中的实验往往采取简单的“拿来主义”，机械地按照实验要求进行操作，无法深入锻炼学生的探究能力。因此，在完成常规实验内容的前提下，教师可以根据学生的知识水平对实验目的进行拓展，引导学生进一步探究，激发学生的学习兴趣。

例如，在探究通电螺线管内部磁感应强度的实验中，学生很容易想到用磁传感器直接探测通电螺线管内部磁场，如图14所示，我们可以得到磁场强度的变化图像。在此基础上我们可以提出，能否直接获得磁感应强度与探测深度的关系图像呢？学生受到启发，想到将磁传感器与位移传感器组合的方法，如图15所示。那如何分析通电螺线管内部磁感应强度与电流的关系呢？学生很快想到用磁传感器与电流传感器组合。随着对实验目的的逐步拓展，学生对物理现象的认识逐步加深，探究物理现象的兴趣逐步提高。在此基础上还可以引导学生进一步思考：什么是匀强磁场？获得匀强磁场需要螺线管具备怎样的特征？学生提出假设，不断改进实验装置来加以验证，使学生在获取知识的过程中体验物理学的魅力。

再如，在“电容器和电容”的教学活动中，传统的实验是利用平行板电容器与验电器组合，采用控制变量法来定性地分析电容的影响因素。该实验对实验仪器和实验环境的要求很高，很难获得理想的实验效果，无法显示电容器充放电过程中电流、电压的变化，无法研究电量与电压之间的定量关系。运用数字化实验系统可以快速获得电流、电压随时间变化的关系图像，通过积分运算获得电量的数值，进而验证电容公式的正确性。这样将定性实验上升为定量实验。在学生对电容器的工作原理有了较全面的认识之后，我们还可以通过分析图像的细节引导学生认识日常生活中电容器在储能、延时等方面的应用。

数字化实验系统作为一种实验工具可以从多个角度加以拓展，结合具体实验引导学生多角度、全方位地认识物理规律不仅有助于学生掌握实验仪器的使用规律和物理学的研究方法，还能够促使其推而广之，将上述思想方法应用于其它学科的学习以及日常的生产、生活之中。

三、结束语

在教学活动中，为了实现预期目的，教学主体总是要采用一定的手段作用于对象。教学手段是教学活动不可缺少的组成部分。

[12]

数字化实验技术为物理教学提供了先进的实验手段，但它并不代表先进的教学思想。先进的教育技术手段与先进的教学思想有机融合才能实现技术与课程的充分整合。因此，教师在教学活动中不能单纯的注重教学手段的先进，更要重视教学思想的转变，重视教学过程和学生学习过程的研究。基于数字化实验系统的物理实验的拓展体现着先进的教学思想，这有待于更多的一线教师从更广泛的角度去研究。

第五篇：物理数字化实验中出现的待解决问题

物理数字化信息系统实验过程中存在的问题

一、教师端和学生端的控制转换操作如何进行？（上次来的专家没给我们演示

一下，我们还是操作出现困难）

主要问题是：

1、教师主机对学生分机控制与交流，2、学生提交作业和批阅

3、教师端给学生反馈的信息回复

4、如何在大屏幕上展示学生提交的作业出现的问题

二、通过几个实验的操作发现的问题：

实验1 静摩擦力研究

【实验装置示意图】

【实验中出现的问题】

1、实验采集的数据图像比较粗糙，是一簇纠缠在一起的“麻绳”状粗线条，如图：

2、实验配套的摩擦块只有2块（各为100g的金属扁盘），这样得到的f-FN图像数据点只有

12个，理论上无法严格证明滑动摩擦力f和正压力FN的线性关系。（我们解决的方案是在扁盘上加放50g的砝码，从1个加到3个，这样可以增加数据点的个数）。

3、根据实验表格中的数据，通过电脑自动拟合得到的f-FN图像虽然符合很好的线性关系，但是直线并没有过原点，这样就无法解释f＝μFN的正比例关系。如图：

实验2 从v-t图求加速度

【实验装置示意图】

【实验中出现的问题】

1、试验采集的数据图像不够平滑，一开始有反向图线，或者有突然“跳动”的图线。跟说明书上示范的图像有很大差距。

实验说明中的示范数据图像

我们实际操作的数据图像

实验3 分压与限流

【实验中出现的问题】

按照说明书上此实验需要两个电压传感器，但是实际只给配了一个电压传感器，所以该实验无法正常操作。

实验4测定小灯泡的伏安特性和测定电源电动势内电阻，实验过程中存在问题：

1、质量不稳定：

2013年9月实验的过程中，有大部分电流传感器和电压传感器质量不稳定，用一下就出问题了，使用过程中发现实验时有时存在一些莫名的错误提示，有时只能用重启电脑来解决，有时重装那个系统实验文件才能解决问题，所以在实验过程中可能会出现一些不确定因素影响实验的进行。

2、用传感器做实验就象用电脑一样偶然因素太多，可能因软件或其他原因导致实验过程中出错或死机。

3、传感器在操作中有时会出现不计数现象，不是接触不良的问题，需要把程序重新启动就计数了，是什么原因？

4、电学实验欧姆定律的实验中，在计数和处理图像拟合时，有时图像会跑到第三象限调不过来？

实验5利用双缝干涉实验测定波长

在双缝干涉实验中，在得到干涉图样后，根据公式计算波长时数据输入不进去，得不到最终数值结果

实验6《平抛运动》的实验

实验质量不稳定：2013年4月实验的过程中，有时数据采集不到 在数据采集和操作上需培训

实验7《运动的合成和分解》的实验

实验装置组装不成功，装置样本图太简单，老师们装不起来