于海富

摘 要： 近年來，DIS作為嶄新的實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備系統(tǒng)，正逐步應(yīng)用于初高中學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本文以幾個(gè)具有代表性的電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，介紹了DIS與傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的整合。

關(guān)鍵詞： DIS 電學(xué)實(shí)驗(yàn) 電容器 整合

初高中物理實(shí)驗(yàn)中的電學(xué)部分是教學(xué)的一大難點(diǎn)，由于這部分知識(shí)抽象且難于理解，利用傳統(tǒng)教授式教學(xué)，學(xué)生學(xué)起來很吃力。如果電學(xué)部分借助實(shí)驗(yàn)來教學(xué)，則可使抽象的電現(xiàn)象形象化、直觀化，將更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。但是利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理繁瑣，并且誤差較大，往往大量的時(shí)間和精力都花費(fèi)在數(shù)據(jù)處理上而忽略對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及規(guī)律的探討，使教學(xué)效率大大降低。

DISLab為中學(xué)物理開設(shè)了全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且正逐步應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中。DIS與物理教學(xué)的整合是實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變的有效途徑之一。

在中學(xué)物理教學(xué)中，由于電學(xué)現(xiàn)象比較抽象，學(xué)生普遍感到學(xué)起來比較困難。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段很難使學(xué)生對(duì)電學(xué)現(xiàn)象有一個(gè)形象直觀的印象。如電容的充、放電過程為一個(gè)暫態(tài)過程，并且變化過程很短暫，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段學(xué)生很難觀察到暫態(tài)變化過程。而利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以很容易使暫態(tài)變化過程形象直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

1.利用DIS研究電容器的沖、放電過程

如圖1所示，取電容值為100接入學(xué)生電源選擇電壓為直流6v，調(diào)節(jié)電阻箱電阻為10k。將DISLab電壓傳感器并聯(lián)在電容器兩極間。打開DISLab教材通用軟件，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將電壓傳感器采集到的電壓信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示在屏幕上。將單刀雙擲開關(guān)打到1，電容器充電；一段時(shí)間后，充電完畢，電容器兩極板間電壓為一恒定值，然后將開關(guān)打到2，電容器放電。電壓傳感器自動(dòng)將采集到的電容器兩極板間電壓隨時(shí)間變化的圖線記錄下來（如圖2）。由圖2可以看出，電鍵打到1，電容器兩極間電壓在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大，單刀雙擲開關(guān)打到2時(shí)，電容器兩極間電壓逐漸減小至零。

圖2 電容充放電圖線

DIS系統(tǒng)將電容器充放電的暫態(tài)變化過程動(dòng)態(tài)形象地演示出來。利用DIS的動(dòng)態(tài)演示功能可以研究通電螺線管的自感現(xiàn)象。

2.利用DIS研究電容器串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)電容的大小

按照?qǐng)D3連接電路，電壓傳感器并聯(lián)在電阻R兩端。打開DIS通用軟件，在繪圖界面的控制面板區(qū)點(diǎn)擊添加“電壓—時(shí)間”圖線，將單刀雙擲開關(guān)置于1位置，電容器開始充電，一段時(shí)間后，再將單刀雙擲開關(guān)置于2，電容器開始放電。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集電容器放電過程中電壓隨時(shí)間變化的圖線（如圖4所示），當(dāng)電壓傳感器示數(shù)減為零后點(diǎn)擊停止。

圖3 電容器充放電

原理圖

圖4 電容器放電電壓-時(shí)間

通過以上演示實(shí)驗(yàn)看出，在電容器放電過程中，電容器兩極間電壓是變化的。如果求出放電過程中電壓對(duì)時(shí)間的積分，再除以放電電阻R就可以得到電容器電量Q。由電容器的電容定義式C=■可知，只要測得電容器充、放電時(shí)的最大電壓U，那么根據(jù)電容器的定義式就可以計(jì)算出電容器的電容大小。

利用DIS測量電容器的電容，并驗(yàn)證電容器串、并聯(lián)后電容的計(jì)算公式■=■+■，C■=C■+C■。

取兩個(gè)電容為100μF的電容器，電阻箱值R為10K，學(xué)生電源為直流6v，按照上述演示過程測量出電壓的動(dòng)態(tài)變化圖像，點(diǎn)擊控制面板中的“其他處理”，選擇“積分”，屏幕上自動(dòng)顯示出電壓的積分值，將積分值除以電阻箱阻值R，即得到電容器電量Q，再用電量除以最大電壓便得到電容器的電容。改變電阻阻值多次測量，測量結(jié)果見表1：

表1 電容計(jì)算表格

數(shù)據(jù)分析：理論值：■=■+■=■+■=■，即C■的理論值為56.5μF，測量值為57.2μF，測量值與理論值的相對(duì)誤差為1.2%；C■=C■+C■=107.5μF+118.9μF=226.4μF，即C■的理論值為226.4μF，測量值為228.6，相對(duì)誤差為0.97%。在誤差允許范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電容器串、并聯(lián)總電容的計(jì)算公式。

應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在研究電學(xué)暫態(tài)過程中顯示了極大的優(yōu)越性，它將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“點(diǎn)采集”過程過渡到“線采集”，即以極小的時(shí)間間隔記錄大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，亦可直接根據(jù)數(shù)量充足的數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪出反映物理量變化過程的圖線，有效解決暫態(tài)現(xiàn)象測量等實(shí)驗(yàn)難題。

DIS完善的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能進(jìn)行和難于進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，填補(bǔ)很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新課標(biāo)要求的“信息技術(shù)與物理學(xué)科教學(xué)的全面整合”，在電學(xué)教學(xué)中為學(xué)生進(jìn)行廣泛研究提供前所未有的工具和條件，對(duì)促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力、探究能力、歸納能力有很大幫助。DIS具有良好的應(yīng)用前景，如何使DIS更好地應(yīng)用于電學(xué)教學(xué)，有待繼續(xù)研究。

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