第一篇：數字化實驗技術在物理實驗中的應用
數字化實驗技術在物理實驗中的應用
戴儒京（江蘇省特級教師）
所謂數字化實驗技術，是以數字化設備為實驗數據采集處理的工具、配套其它實驗器材構建的現代化實驗技術。數字化數據采集處理系統，由傳感器、數據采集器和計算機組成。
以數字化實驗技術為基礎的物理實驗，就是建立在上述實驗儀器、實驗技術、實驗方法基礎上的物理學實驗。
數字化實驗，是課程標準教科書的要求和需要，也是新高考和中考的要求和需要。也是物理學科發展的要求和需要。
實驗是學習和研究物理學的最基本的內容、方法和手段。實驗，包括學生實驗和演示實驗以及小實驗等，要把傳統實驗和數字化實驗結合起來。只有實驗，才能學到真知識；只有實驗，才能培養真人才；只有實驗，才能真正提高教學質量。
數字化實驗，是計算機輔助實驗。課程標準教科書專門安排了一些電子計算機輔助實驗，如：借助傳感器用計算機測速度（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。電子計算機，是現代化的標志和體現，學生通過用計算機做實驗，不僅學了物理學，也學了計算機，可謂一舉兩得。
數字化實驗，是新實驗，不僅是新儀器，也是新方法。例如霍爾元件、斯密特觸發器等實驗。一些教師開始接觸，不太了解，不太熟悉，往往有把數字化實驗室閑置或充當門面。通過做實驗，他們熟悉實驗、熟悉儀器，并可能在應用的過程中有所創新，使數字化實驗室充分發揮作用，以物盡其用。
1.數字化實驗：傳感器的應用實驗
課程標準教科書《物理》不僅把傳感器作為單獨的一章知識內容，而且把傳感器的應用實驗（選修3-2 P70）作為學生實驗和演示實驗，新的高考大綱中也把“傳感器的應用”實驗作為高考內容。傳感器在現代生活和工業、科技中也有廣泛的應用，學生在實驗中接觸和了解傳感器，對他們的高考和將來從事科學研究及工農業生產也不無幫助。
實驗1.傳感器的應用實驗——光控開關
簡單光控開關 背景資料： 在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子—空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子—空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。施密特觸發器在數字電路及控制領域有廣泛的應用，它屬于電壓觸發方式，當輸入電壓達到某一閾值時，輸出電壓會發生突變，最重要的一點是，輸入電壓增加或減少時，電路有不同的閾值電壓。以下圖1為例 圖 1 當輸入電壓Vi，當輸入電壓由低電位開始增加，如果Vi
實驗原理：
圖 3
將電路按圖3連接，RG為光敏電阻，R1，R2為電阻箱，LED為發光二極管，A點為施密特觸發器的輸入端，Y點為施密特觸發器的輸出端。適當選擇R1，R2的阻值后，當外界光線很強時，RG上的電阻相對比較小，A點的電壓小于Vp，Y點輸出高電位，發光二極管兩端的電勢差很小，因此不能發光，當外界光線變弱時，RG上的電阻顯著增大，A點的電壓也顯著增大，當增大到Vp=3.0V時，Y點輸出低電位，發光二極管兩端有大約5V的電勢差，發光二極管開始正常發光，如果光線強度又進一步開始回升，RG上的電阻減小，A點的電壓也開始減小，當A點的電壓小于Vn=2.2V時，Y點又輸出高電位，發光二極管熄滅。
為了更直觀地了解整個電路工作過程，在分別用兩個電壓傳感器對A點和Y點的電壓進行實時測量，光強傳感器測量，顯示外界光線變化對電路的影響。實驗目的：
了解簡單光控電路，對自動控制有初步理解。實驗裝置：
計算機，數據采集器，光強傳感器，兩個電壓傳感器，兩個電阻箱，施密特觸發器，發光二極管，導線若干，學生直流電源。實驗步驟：
1．先按電路圖連接各個器件，并注意發光二極管的極性，和施密特觸發器的引腳，具體情況可以參照前面的示意圖，將VDD接到穩壓電源的正極，VSS接到穩壓電源的負極，i1接輸入電壓對應電路中A點，o1接輸出電壓對應電路中Y點。
2．調節R1，R2電阻箱的阻值，選擇合適的電阻，將兩個電壓傳感器與數據采集器的1，2通道連接，把光強傳感器連接到3或4通道，然后將數據采集器與計算機連接，開啟采集器電源，進入實驗專用界面。
3．把兩個電壓傳感器的兩個信號輸入端的分別導線短接，對電壓傳感器進行較零，然后把連接1通道電壓傳感器的信號正極接到電路中A點，同時把它的負極接到穩壓電源的負極，也就是電路中的地，然后把2通道電壓傳感器的信號正極接到電路中Y點，同時把它的負極接到穩壓電源的負極。
4．把光敏電阻的感應面朝上，將光強傳感器與光敏電阻放置在一起，在采集間隔和采集數量窗口輸入合適的數值，點擊開始按鈕。
5．用一塊大的擋光物將光敏電阻附近的光線慢慢擋住，觀察實驗數據曲線，同時注意二極管的發光情況，當它開始發光以后，再慢慢把擋光物撤掉，結束實驗。實驗數據記錄與分析： 1．輸出電壓與輸入電壓曲線
2．外界光強與輸出電壓數據關系
本次實驗中R1?1500?，R2?2000?，從圖上可以看出當光強為I?139lux時，發光二極管發光，而當光強為I?244lux時，發光二極管熄滅。
2.數字化實驗：探究性實驗
課程標準教科書不僅把原教科書的一些驗證性實驗改為探究性實驗，而且新安排了一些探究性實驗。這些探究性實驗，用數字化實驗儀器和方法去做，更為便捷。例如探究加速度與力、質量的關系（必修1 P75）、探究功與物體速度變化的關系（必修2 P17）等實驗。通過探究性實驗，提高學生研究、探究的能力，為培養創新能力打好基礎。
實驗2.探究（恒力做）功與物體速度變化的關系動能定理）
（動能定理（恒力）實驗原理 牛頓第二定律講述的是力與加速度之間的瞬時關系，表達式為： F = m a（1）其中，F是作用在物體上的合外力，m是物體的質量，a是物體的加速度——速度的時間變化率，表達式為： a??vdv 或 a?（2）?tdt2把（2）式代入（1）式，并將（1）式兩邊對位移積分（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為從x1到x2的區間內，合外力F的功，v1 和v2分別為物體在x1和x2處的速度，E k為物體的動能。也就是說，合外力的空間積累效應表現為物體動能的改變。在本實驗中，我們探究在恒定拉力的作用下，小車的動能隨時間變化的關系。其中，拉力由力傳感器測得，速度由固定有擋光滑輪的光電門傳感器測得，動能由速度的平方乘以質量的一半得到。實驗目的 通過對（恒定）拉力和速度的測量，探究合外力的功與物體動能變化的關系。實驗裝置 SWRDISLab-100III數據采集器、光電門(Photogate)傳感器、力傳感器、動力學系統(包括導軌、小車、滑輪和支撐桿等)等。實驗步驟 1.按圖連接實驗裝置（注意平衡摩擦力）； 2.測量并記錄小車和鉤碼的質量（第1次：小車402.81g，鉤碼19.91g）； 3.打開SWRDISLab軟件，點擊“教學專用軟件”，進入“物理實驗列表”中的“力學”部分，選擇“動能定理（恒力—Photogate）”； 4.點擊“校零”按鈕，對力傳感器進行校零； 5.設置“采集間隔”為5ms，“采集200個暫?！?，以及“共采集200條數據”； 6.讓小車靜止在靠近光電門傳感器的一側（鉤碼將細繩拉緊），點擊“開始”按鈕； 7.當“開始”按鈕的顏色變“灰”時，釋放小車； 8.當小車運動到靠近支撐桿時，使小車停止運動，然后點擊“結束”按鈕； 9.觀察“力—位移”、“速度—位移”和“動能—位移”關系曲線的特點；
6.當“開始”按鈕的顏色變“灰”時，釋放小車；
7.當小車運動到靠近支撐桿時，使小車停止運動，然后點擊“結束”按鈕； 8.觀察“力—位移”、“速度—位移”和“動能—位移”關系曲線的特點；
9.任選一個位移區間，對力進行積分，并比較積分值和兩個區間端點處動能的差； 10.改變鉤碼和小車的質量，重復步驟6~10（第2次：小車402.81g，鉤碼30.35g）。
實驗數據的記錄與分析
a)“力、速度 vs.位移”圖表（小車402.81g，鉤碼19.91g）：
由圖可知，從靜止釋放到制動前（去掉對應制動過程的最后兩組讀數），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）和動能（下方的藍色曲線）不斷增加，速度的變化率不斷減小，但是動能的變化率幾乎恒定。
b)力做的功與動能的變化（小車402.81g，鉤碼19.91g）： 如圖所示，在所選的位移區間內，力做的功為W?F?S?0.0630 J，兩個區間端點處動能的差為0.0594 J（= 0.0832－0.0238），力做的功略大于動能的變化，二者近似相等，相對誤差為5.71 %。
3．“力、速度 vs.位移”圖表（小車402.81g，鉤碼30.35g）：
由圖可知，從靜止釋放到制動前（去掉對應制動過程的最后4組讀數），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）和動能（下方的藍色曲線）不斷增加，速度的變化率不斷減小，動能的變化率幾乎恒定。4． 力做的功與動能的變化（小車402.81g，鉤碼30.35g）：
如圖所示，在所選的位移區間內，力做的功為W?F?S?0.0911 J，兩個區間端點處動能的差為0.0870 J（= 0.1269－0.0399），力做的功略大于動能的變化，二者近似相等，相對誤差為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大于小車拉力的二倍；
2． 隨著速度的增加，小車受到的（滾動）摩擦力略有增加； 3． 拉力做功的一部分轉化為兩個滑輪的轉動能。
關鍵點
1． 抵消摩擦力。
注意事項
1． 采集間隔取默認值5ms，如果使用更大的采集間隔，那么當小車的運動速度很快時，位移的測量有可能出錯；使用5ms作為采集間隔時，鉤碼與小車的質量比必須小于3/10。
3.數字化實驗：應用傳感器做實驗，有些傳統實驗，用數字化方法即用傳感器和計算機去做，也比傳統的方法更方便，數據處理更快、更準確，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計時器做探究小車速度隨時間變化的規律（必修1 P34）等實驗。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）、測定電池的電動勢和內電阻（選修3-1 P72）等實驗。除“傳感器的應用”實驗外，還有許多用傳感器作為實驗儀器的實驗，例如用傳感器和計算機描繪簡諧運動的圖象（選修3-4P5）等等，我們統計有十幾個?？梢哉f：幾乎所有的實驗都可以用數字化方法做。實驗3.測定電池的電動勢和內電阻
測定電池的電動勢和內電阻 背景資料：
通常的金屬導體都是以金屬鍵結合的晶體，處于晶格結點上的原子很容易失去外層的價電子，而成為正離子。脫離原子核束縛的價電子可以在整個金屬中自由運動，稱為自由電子，在不受外電場作用時，自由電子只做熱運動，沒有宏觀的電量遷移，因而金屬中各個部分都呈現電中性。當金屬中存在靜電場E時，金屬中的自由電子在外電場的作用下，相對于晶格離子作定向運動，電子運動中必然與晶格相碰撞，達到某種平衡后，金屬中電子有一個整體上的平均速度，導體中有穩定的電流，前面的分析都建立在導體中的靜電場E是相對比較穩定的前提上。
如果將一個已經充好電的電容器的兩個極板用導線連接起來，構成閉合回路，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。在電池的兩個正極和負極上，分別帶有正電荷和負電荷，當接入電路回路后，導線中的電子在電極電荷產生的靜電場中開始運動，形成電流，如果兩極上的電荷量得不到補充，那就不可能形成穩定的電流輸出，電源的作用，不管是化學的電池，還是像范德格拉夫起電機之類的電源，都是將電荷從負電極搬運到正電極，這種搬運工作只能靠某種非靜電力來完成，假設非靜電力在搬運過程中做功qu，那u就是電源電動勢，q為載流子的電荷量。實驗原理：
圖1 如圖1所示的閉合電路中，電源的電動勢為?，內電阻為r，負載電阻為R，電路中的電流為I??R?r，可以看出，當負載電阻R足夠大時，因為它和內電阻是串聯在一起的，它兩端的電壓將非常接近于電源電動勢?，當R??，即所謂開路或斷路時，I?0，U??；當R?0，即短路時，I?Imax?
負載電阻兩端的電壓為U??r，這時候的電流最大。
?R?rR，也可以寫為U????R?rr，而電流為I??R?r，因此有U???Ir，這個關系在伏安曲線上表現為Umax??，I?0，也就是R??時。如果R?0，U?0，Imax??r。在實驗中用滑動變阻器做負載電阻，改變它的電阻，以同時改變電流和電壓，在軟件中作伏安曲線圖后，取擬合線，線的斜率的絕對值就是r，曲線與縱軸的交點就是Umax??，I?0點，可以測出電動勢。實驗目的：
簡單測量電池電動勢和內阻。實驗裝置：
計算機，數據采集器，電池，滑動變阻器，電流傳感器，電壓傳感器，導線等。實驗步驟：
1．將數據采集器與電流傳感器，電壓傳感器連接，然后將數據采集器與計算機連接，開啟采集器電源，進入實驗專用界面。
2．把電流傳感器，電壓傳感器的兩個信號輸入端的導線分別短接，對電流傳感器、電壓傳感器進行校零。3．按實驗電路連接電路圖，在專用界面的底部輸入合適的采集間隔和采集數量，閉合開關，點擊開始按鈕，進行實驗測量。
4．將滑動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，然后對伏安曲線進行線性擬合。實驗數據記錄與分析：
1．電壓變化：
2．電流變化：
3． 伏安曲線：
從圖象可以得出，電池的電動勢為E?7.003V，內阻為r?27.407?。
數字化實驗儀器，包括傳感器、數據采集器和實驗軟件，是新儀器、新器材、新設備。南京師范大學蘇威爾科技有限公司研發、生產的傳感器、數據采集器和實驗軟件，以及配套使用的實驗器材如動力學系統（包括滑輪、小車、滑軌、支架等），電磁學系統（如邏輯門電路、施密特觸發器、霍爾元件實驗等）等，是國內具有先進水平的數字化實驗儀器，可以滿足新課程對物理實驗的要求和需要，可以促進物理實驗教學質量的提高，可以促進物理實驗的數字化、現代化。
第二篇：小實驗在物理課堂中應用
小實驗在物理課堂中應用
在新課程的教學背景下，有了新的教學理念、手段及方法，而“情景教學”是物理教學的一種重要手段。教學中“情景”的設置可以是文字描述的形式，也可以是多媒體動畫形式，當然最具體、最生動、最有吸引力的還是小實驗。小實驗由學生直接參與，讓學生有一種身臨其境的體驗，獲得的知識也來自于他的直接經驗，這樣不但可以激發學生的學習興趣，而且有助于培養學生的各種能力，發揮學生的潛能和創造力的培養，同時還能對學生進行物理思想與方法的教育和培養，將直接影響教學效果。
一、運用小實驗，激疑導入，營造物理情景
對于物理課堂教學能否成功，新課的成功引入是非常重要的環節，所以新課導入是課堂教學中的一個重要環節。用小實驗作為新課引入，不失為一種非常優秀的手段之一。因為由小實驗所創設的情景，能向學生提供新穎、奇特、驚險、多變等強烈的感覺刺激，有助于吸引學生的眼球，使學生的思維快速地集中到課堂中來。同時小實驗中所出現的現象往往出于他們的意料之外，而學生的好奇心會促使他們想知道為什么會出現這樣的現象而積極地思考并渴望得到答案，這樣有利于學生產生想認真學習這節課的想法，從而使學生從被動學習轉變到主動學習，達到教學的目標。
『典例１』在講授《自由落體運動》時，先引導學生做一個小實驗：測反應時間。教師先提出問題：同學們的反應一定很快，想知道你們的反應時間是多少嗎？我這里有一把能夠測量反應快慢的尺子（尺子事先在背面貼上位移對應的時間），哪位同學愿意上來測量一下？接著介紹規則：請一位同學把手放在尺的下部10cm處，做好捏住它的準備，眼睛盯住老師的手，當看到老師松手的動作后，立即用手指捏，越快越好。并記下捏住的刻度。然后請告訴大家你捏住的刻度，是多少？教師結合尺的背面的時間刻度宣布：實驗者的反應時間是××？學生很驚奇，想知道其中的奧秘。教師乘機說，今天我們來共同研究尺子下落的運動----自由落體運動。這樣增強了求知欲，又順利地引出了新課。
『典例２』在講授《力的分解》時，教師先做一個小實驗。用一根細線穿過重錘的鉤子，可以把重錘懸掛起來，先將細線的兩端點合攏，然后慢慢分開，當兩線分開到某一夾角時，只聽“轟”的一聲，重錘落到桌面上。此時教師向學生提問：在兩細線的夾角逐漸增大過程中，為什么細線會斷裂呢？為了解決這個問題，本節課我們來學習的新的知識---力的分解，從而引出新課。這樣學生將帶著疑問來學習探究新課。
二、運用小實驗，澄清認識，感悟物理世界
在學習某些物理知識前，由于先入為主和生活經驗等原因學生會形成錯誤認識。為了糾正學生已形成的錯誤認識，建立正確的物理概念，充分挖掘物理教學的豐富內涵，巧妙利用小實驗所展示的新奇的實驗現象，同時抓住疑點巧妙運用設疑技巧，適時引導學生發現問題，從中感悟物理世界，收到很好的教學效果。
『典例３』在講授《自由落體運動》時，為了建立正確的自由落體模型，我設計了以下對比實驗。先從同一高度由靜止同時釋放一個鐵球和一張紙片，結果鐵球下落快。學生結合日常生活的經驗就大膽認為，重物下落快。教師追問，這個結論是否具有普遍性呢？接著做實驗，取兩張相同的紙片，將其中一張用剪刀剪去一半，剩下的一半揉成紙團，再次從同一高度由靜止同時釋放紙團和紙片，結果觀察到紙團下落快。學生仿照前一個實驗的分析，得出結論：輕物下落快。教師進而提出：“兩個實驗為什么會得出相反的結論呢？”。學生思考后回答，物體下落的快慢與輕重無關，糾正了“重物下落快”的錯誤認識。教師引導：是什么共同的原因使紙片比鐵球和紙團都下落得慢呢？學生想到：紙片受到空氣的阻力作用比較大．然后再過渡到另一組對比實驗，分別取三個相同深度的量筒A、B、C，并排放在水平桌面上，量筒B和C分別裝上清水和洗潔精配制的溶液，將三個相同鐵球同時同高度釋放，觀察到鋼球運動的快慢不同，這說明阻力對物體的運動有影響，且阻力越大，對運動的影響越大。接著在量筒C里面再做實驗，取形狀和體積完全相同的鐵球和塑料球，同時同高度釋放，結果鐵球運動快。從而得到阻力相對重力越小，對運動的影響就越小。教師再引導，如果沒有阻力，物體下落的情況回怎樣？自然地引出“牛頓管”實驗，用抽氣機抽走牛頓管中的大部分空氣，里面近似認為是真空狀態。將管中的羽毛和鐵片同時同高度釋放，結果觀察到下落一樣快。最后得出關鍵性的結論：沒有阻力，物體只受重力由靜止開始下落的運動的快慢都是相同的，物理上就把這種運動叫自由落體運動。
這些小實驗雖然過程非常簡單、操作也很方便。而且學生親手操作增加了實驗的真實性，也提高了學生的吸引力，而對直接參與的實驗者來說，既滿足了好奇心，也有了成功的體驗，從中感悟到物理世界的奇妙。
三、運用小實驗，參與合作，探究物理規律
在新課程的理念下，把培養學生的合作學習能力和探究能力放到特別重要的位置。探究式學習是通過發現問題、研究探索，從而獲取技能的一種學習形式。這種學習形式的關注是探究的過程，培養的是學生的思維能力特別是創造性思維能力的培養。在物理課堂教學中，老師必須選擇時機，精心設計小實驗來培養學生的合作、探究能力。
『典例４』在講授《曲線運動》時，要求學生利用提供的器材設計實驗探究物體做曲線運動的條件。提供的器材是為光滑玻璃板、小鋼球、磁鐵和加速斜槽。學生分小組合作，先制定實驗方案，然后進行探究，最后交流展示。學生的實驗探究過程與結果記錄如下。
實驗條件及結果記錄表格：小球在玻璃板上的運動初速度：沿水平標志線向右.最后得出結論：物體做曲線運動的條件是受到合外力，且合外力與速度不在同一直線上。
雖然是小實驗，如果采用生活或實驗室中的一些常見易得的器材來完成，這樣讓學生們覺得接近生活實際，更加相信物理就在我們的身邊，同時對物理教學起著十分重要的作用，在我今后的物理教學中將會起到更大的作用。
四、運用小實驗，驗證應用，掌握物理知識
為了讓學生理解知識、掌握知識，最終能靈活應用知識。雖然在物理知識很多來自于生活實際，但高于生活，尤其是有些知識又非常抽象，單憑學生自己的生活經驗以及現有的知識很難理解，而教師則可以通過精心設計一些小實驗，增加學生對知識的感性認識，從而使知識變得容易理解和掌握。
『典例５』在講《機械能守恒定律》內容結束時，設計了一個小實驗來結束新課：取一只小水捅，內裝半桶水，用尼龍絹懸掛在天花板上如圖所示。請一個學生緊貼墻壁站好，雙手捧起水桶。讓它距學生的鼻子1cm。然后將水桶輕輕釋放，讓水桶來回擺動。水桶經過一個擺動周期，又會向學生的鼻子撞來。這可不是看立體電影，而是一個貸真價實的運動著的水捅。學生若沒膽過，肯定會逃走。倘若學生相信機械能守恒原理的話，一定會坦然地站在原位置上上，并深信水桶絕不
會碰上你的鼻子。問題就看學生敢不敢做這個實驗,看看誰“真正相信（學會）了剛才學習的知識”。
這個小實驗使同學們的積極性大大提高，既動手又動腦，鞏固了所學的知識，達到了很好的教學效果。
『典例６』在講授《力的分解》中的斜面上物體的重力分解時，教師設計了一組小實驗。取一塊長方形的夾板碎片，將一端放在平整的桌面上，另一端墊上書本，讓夾板碎片形成一個斜面，將一個帶有輪子的小車放在斜面上（忽略摩擦），手通過連接小車的橡皮條拉住小車。使小車靜止，觀察。觀察發現，與小車連接的橡皮條拉長了，說明小車有沿斜面向下的分力（重力的一個分力）；同時看到夾板發生彎曲，說明有垂直斜面向下的分力（重力的另一分力）。如果在小車上加上幾個鉤碼（即增加了車的重力），再觀察。觀察發現，斜面的彎曲程度變大，與小車相連的橡皮條變長了。這說明重力的兩個分力因重力的增大而增大。如果改變（增大）斜面的傾角θ，重復上面的實驗，再觀察。觀察發現，斜面的彎曲程度變小，而與小車相連的橡皮條變長了。這說明，斜面上物體的重力的兩分力方向為沿斜面向下和垂直斜面向下，F1使物體下滑（故有時稱為“下滑力”），F2使物體壓緊斜面（如圖）．其大小與斜面的傾角θ有關，且垂直斜面的分力
F2隨傾角θ的增大而減小，沿斜面向下的分力F1隨傾角θ的增大而增大。即驗證
了兩分力F1=mgsinθ，F2=mgcosθ的正確性。
第三篇：朗威數字化實驗設備在物理教學中的應用
朗威數字化教學設備在物理教學中的應用
膠州市第十五中學
在物理教學過程中應用朗威數字化實驗室可以精準的測得數據并且可以用數據畫出曲線，化抽象為具體，將復雜的問題簡單化、直觀化。
在初中物理實驗教學中我們經常用來探究的幾個實驗課題有：
機械運動一章中測平均速度，利用位移傳感器測小車從斜面滑下的速度，計算機把不同時間測出的物體的速度顯示在屏幕上，學生可以直觀看出速度的增大還是減小。
聲現象一章中研究聲音的特性，利用聲音傳感器，用計算機顯示出波形，通過波形分析聲音的特性。
內能一章中用溫度傳感器研究不同物質的比熱容等。
現以研究不同物質的比熱容為例簡單介紹一下朗威數字化設備的使用過程。
實驗原理：相同質量的不同物質，在吸收相同的熱量時，升高的溫度不同。
實驗器材：朗威數字化設備、計算機、溫度傳感器兩個、燒杯一個、試管兩個、三腳架、石棉網、酒精燈、鐵架臺等。
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實驗步驟：
1.將兩個溫度傳感器接入數據采集器。
2.用天平測量20g的食用油和水，分別倒入試管中。
3.將兩個試管放入盛有水的燒杯中，用水浴加熱，并將溫度傳感器的金屬探頭分別深入到試管中的相同深度。
4.打開計算表格，將兩個傳感器，記錄時間設置為5s
5.點燃酒精燈開始加熱，加熱時間相同，點擊結束，得出兩組數據。
6.利用繪圖工具，設置X軸為時間，Y軸為溫度，將兩組實驗數據繪制在同一坐標中。
朗威數字化設備在實驗教學中便捷高效，直觀明了，有助于根據實驗數據拓展學生的分析能力和創新實驗能力，今后教學中將進一步加以推廣應用，以此完成更多的實驗探究。
第四篇：數字化實驗在物理教學中應用的實踐與思考
數字化實驗在物理教學中應用的實踐與思考
天津市紅橋區五愛道風光里55號紅橋教育中心 孫鴻毅
摘要：隨著國家新一輪課程教材改革的推進，數字化實驗室進入課堂，打造出信息技術與物理教學整合的新型教學模式。數字化實驗以傳感器和計算機為基礎，結合傳統的實驗儀器，將實驗數據采集之后用計算機進行分析處理，通過數據圖表和圖象展示現象、揭示規律。從2005年10月起我們將傳感器引入高中物理教學，經過一年的探索，分別在力、熱、電三方面選取典型課例進行了實踐。本文試從教研員的角度，就引領老師們進行實踐課例的探索，提出數字化實驗室應用的方式、效果和值得注意的問題，以與同行切磋和研討。
關鍵詞：傳感器 探究教學 教師水平學生能力
一、問題的提出
隨著全球信息化的飛速發展，加速推進了我國教育現代化的步伐，教育的信息化是教育現代化的重要特征之一。《基礎教育課程改革綱要（試行）》指出：“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式，學生的學習方式，教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具?！?/p>
2004年11月在湖南召開的全國第六屆物理青年教師教學大賽上，上海和深圳選手將數字化實驗室引入比賽現場，讓我第一次看到數字化實驗的方式和效果，親身感受了信息技術與物理教學整合的新型教學模式。關注、引領物理教學的前沿是教研員的責任，2005年3月起，在我區教研活動中用錄象課、請傳感器公司來人示范等方式廣泛宣傳數字化實驗，進一步激發了老師們實驗的熱情。從2005年10月起引領老師們將傳感器應用于高中物理教學的教改實驗中。
二、對數字化實驗設備和結果的簡介（如圖1）
1．傳感器：數字化實驗的核心部件?！案小睂⑽锢砹哭D化成電信號；“傳”將電信號傳遞到數據采集器裝置和計算機平臺。教學中常用的傳感器包括力傳感器、位移傳感器、熱傳感器、電流電壓傳感器、光傳感器、聲傳感器等等，圖中是一個位移傳感器。
2．數據采集器：采集傳感器感知的數據，并傳給計算機，可以說是傳感器與計算機連接的轉換器。
3．實驗儀器：完成某一物理實驗需要的儀器，如小車、導軌、燈泡、電源、開關、線圈、磁鐵等。
4．計算機及其內部處理由傳感器傳遞的數據的軟件。
5．實驗結果：實驗中采集的數據用計算機進行分析處理，通過計算機顯示器直接顯示以數學方式展現的圖表和圖象，物理現象和規律通過數學的圖象和圖表呈現。
由此可知，數字化實驗是將傳感器、計算機與傳統的實驗儀器結合，是傳統實驗方法的發展和數據處理的科學化，呈現的是真實的實驗，數據處理上更嚴謹，規范。
三、應用數字化實驗典型課例分析
1．在力學中選取課例是《摩擦力》。
《摩擦力》是高中物理最重要的概念之一，新課程標準對本節的要求之一是通過實驗認識滑動摩擦、靜摩擦的規律，并能用動摩擦因數計算摩擦力。實驗原理是讓木塊勻速運動，應用二力平衡的知識用拉力來反映摩擦力。
傳統教學中采用圖2的裝置，用彈簧秤水平拉一個放在水平長木板上的木塊，學生通過觀察木塊從不動到運動的過程中彈簧秤示數的變化，來認識摩擦力。但由于儀器較粗糙，數據的變化不易看得很清楚，本實驗大多情況下作為了一種模糊的定性研究。用傳感器參與本實驗，實驗原理不變。但圖2中的彈簧稱換為力傳感器效果也不好。于是我們想到用圖3的裝置，將力傳感器固定，感知力的一端通過一段彈性不大的細繩與木塊連接做本實驗，這樣木塊始終與地保持相對靜止。拉動木板，在剛加拉力時木塊與木板有相對運動趨勢，木塊與木板間有靜摩擦力，木板運動起來，木塊與木板有滑動摩擦力，由于木塊始終相對靜止，因此各個時刻的拉力就反映了對應的摩擦力。實驗數據傳入計算機，木塊抽動過程中拉力的變化以圖4中的紅線形式展示。這樣木塊由不動到運動中摩擦力的變化就通過拉力變化的圖線清楚的呈現給學生。
對圖象做進一步分析看出圖中的①表明木塊還未受到拉力時完全靜止的一個過程，木塊受拉力為零，因此摩擦力為零。圖中②體現木塊與木板相對靜止時在不動到滑動的過程中靜摩擦力隨拉力的增大而增大，圖中③是物體動與不動的分界點，此時的摩擦力是最大靜摩擦力，圖中④體現的是物體的運動過程，圖中清楚顯示滑動摩擦力小于最大靜摩擦力，且在運動中保持一個定值。所以通過圖4的完整圖線很好的反映了學生認識摩擦力的第一個層次──感知摩擦力。
第二層次是在此基礎上繼續研究正壓力和接觸面的粗糙程度對滑動摩擦力的影響。圖5對應的是木塊放在毛玻璃表面，圖6是木塊放在包裝紙的表面。兩圖表格中的“平均”顯示的是在毛玻璃表面分別施加三個壓力和在包裝紙表面分別施加同樣的三個壓力實驗時滑動中對應的拉力大小，也就反映了各次滑動摩擦力的大小。測量木塊重1．5N，在木塊上依次加250 g砝碼，使正壓力依次為1．5 N，4 N，6．5 N。再將得到的數據用Excel處理得到的如圖7的圖、表，這樣處理本實驗既分析出滑動摩擦力與正壓力間的正比例關系，又知道這個比例系數由接觸面的粗糙程度決定，更可以算出相應的動摩擦因數，且控制變量法也一目了然。
由以上分析可以看出，傳感器的介入提升了實驗數據分析的層次。圖象的展示進一步培養了學生的觀察能力和分析能力，讓教師無須語言的贅述，學生對摩擦力的認識通過理性的數學分析得出，使學生認知水平得到提升，將教學內容由過去的粗糙豐富為嚴謹、科學。本課作為我區傳感器進課堂的公開課2006年11月間在全區展示。
2．在電學中選取課例是《楞次定律》的習題課。
《楞次定律》是電磁學的重點和難點。圖8是現用高二必修加選修第211頁A組第2題（該題和圖同時是選修3-2第31頁的第2題），題目是若條形磁鐵下無閉合線圈，磁鐵會振動較長的時間才停下來，若條形磁鐵下有閉合線圈，磁鐵振動會較快的停下來，要求解釋此現象。
我們將本題開發成實驗，作為《楞次定律》一節中的一個理解楞次定律電流方向的判定和能量轉化的實驗出現。將圖8按照圖9組裝，可以得出圖10的圖象。從圖中清楚的顯示出隨時間的延長，線圈中感應電流在衰減，并對感應電流的方向有了明確的認識。圖10還可以進一步應用到這一章的“渦流”一節，使學生對“電磁阻尼”的理解困難迎刃而解。
本實驗曾引起了學生的極大興趣，學生們自己組裝實驗，并從實驗開始就認真盯著大屏幕逐漸顯示出的圖象，當磁鐵停止振動后都很認真的讀著數據，熱烈地討論圖象的物理意義，對楞次定律有了更進一步的理解。電流傳感器在本節課的應用可以捕捉到瞬間感應電流的大小和方向。本節課參加2006年7月在深圳召開的第四屆“全國中小學信息技術創新與實踐活動”評比，獲得一等獎。
3．在熱學中選取課例是《內能的改變 熱量》。
圖11展示的是用熱傳感器反映氣體內能變化的實驗。實驗的主要器材是一根被改制的自行車內胎，即用緊箍和一段玻璃管與車胎組成密閉容器，將溫度傳感器伸入到玻璃管中，以便學生能夠觀察到傳感器。圖12是得到的數據圖，當用手握住玻璃管部分，由于熱量的傳遞，管內溫度升高通過氣體傳給傳感器，圖線中①反映了這一過程，圖線中②反映移開手后的降溫過程，圖中①、②共同反映了熱傳遞改變內能的過程。而圖中③部分是對車胎放氣顯出的溫度變化，④是放氣過程結束，溫度向室溫恢復。當用打氣筒給車胎打氣，圖中⑤明顯反映了對氣體做功引起物體內能增大，溫度升高。這樣不易感知的溫度變化通過圖線帶給學生深刻的感受。
四、對數字化實驗進入物理教學的思考
1．轉化教師觀念，正確理解信息技術與物理學科整合的內涵。
實驗是物理學的基礎，每一個物理概念和規律都是建立在相應的實驗基礎上。傳統的物理實驗教學中由于儀器的落后以及實驗條件的限制，很多物理實驗只能做定性分析，教師讓學生觀察實驗現象，啟發學生對現象進行推理、分析最后得出正確的結論。雖然推理是物理研究的重要方法之一，有利于培養學生的分析推理能力，但教學中大量使用不僅會讓老師的動手能力下降，學生更看不到真實的實驗，難以真正理解物理的學習實質。而數字化實驗使教師認識到，教育的信息化不是簡單的把課堂搬個家，而是通過信息技術手段，使教育資源配置更優化，教學過程更高效。信息技術不是作為輔助教師教學的演示工具，而是要實現信息技術與學科教學的“融合”，要培養學生學會把信息技術作為獲取信息、探索問題、協作討論、解決問題和構建知識的認知工具。
2．鞏固物理實驗的地位，促進教師的實驗能力和分析水平的提升，讓教研落到實處。
傳感器只是一個傳遞信號的儀器，圖像也只是一個圖片，但教師要設計實驗、引領學生認識圖象，挖掘圖象的含義，這就為教師發揮自己的能力提供了廣闊的平臺。同時數字化實驗也為教研活動開辟了新的道路。
在準備《摩擦力》一節時，我和參與教師都表現出極大的興趣，一遍又一遍在不同的接觸面上做實驗，最后確定了接觸面分別用毛玻璃和一種包裝紙。會后引進傳感器的學校高一年級教師都用這種方法講授了這一節，完成了新課標的要求，也在學生中引起極大的興趣，無形中提高了物理教學的實效性。
用熱傳感器反映氣體內能變化的實驗儀器，最初是傳感器公司提供給我們的。但當授課教師通過《內能的改變 熱量》一節展示出來的時候，教師們的驚奇和贊嘆表露無疑。課后上交的評課記錄上老師們都很深刻的寫下了對數字化實驗的認識，青年教師更寫出了愿意多參加并參與到這樣的活動中來提高自己實驗和分析能力的愿望。
3．深化探究教學，著眼于科學方法的教育，培養學生研究問題的科學習慣。
新課程理念之一是“注重科學探究，提倡學習方式多樣化”。從《摩擦力》一節分析可知，對物理概念的建立，物理規律的形成過程需要學生揣摩的實驗，引入傳感器會收到事半功倍的作用。同時引入傳感器可以開發課本資源，變課本習題為實驗，深入挖掘習題蘊涵的道理，可以改進原來做不出的實驗。這樣又為物理學科的研究性學習提供了內容。
傳感器的引入更強化了用數學分析物理問題的意識，讓物理實驗具有更高的真實性，讓學生對科學方法有了親身體驗。物理學的發展離不開數學，學好高中物理更離不開數學。愛因斯坦說過，數學給予精密的自然科學以某種程度的可靠性，沒有數學，那些學科是達不到那么高的可靠性的。圖象的充分利用是強化數學在物理教學中的作用的一個重要體現。如上面所述，溫度給人們的感覺一直是親身體驗的冷熱程度，而應用傳感器，使學生學習到另一種感知事物的方式，那就是真實的數據同樣會令人有身臨其境的體驗。久而久之會讓學生養成一種研究問題通過“現象──實驗──數據”的科學習慣。
4．喚起學生的問題意識，教會學生思維，大大提高科學探究過程的實效。
探究式教學是以探索、研究物理規律為出發點，以實驗活動為中心，以學生的可持續發展探究能力的培養為根本的一種教學方法。探究式教學強調“猜想—驗證—歸納”的科學探究過程。普通實驗的定性研究和引入傳感器的定量研究相結合，教師通過對比，使學生做有知的猜測，可以鼓勵學生積極參與，喚起學生對問題解決過程的認識，有助于開發學生的學習潛力，并教會他應對某一具體情況下可能需要的知識。實驗證明，學生比教師接受數字化實驗更快。《摩擦力》教學中學生對圖5中物塊從要動到運動之間不規則變化的曲線提出了疑問，在教師的引導下認識到這是由于板在拉動中細繩抖動造成的不穩定。
5．突出教師的主導地位，尊重學生的個體差異，讓每一位學生都體驗不同程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的進步。
傳感器引入物理教學，更利于教師主導地位的體現。教師只要教會學生處理數據的方法，再遇到類似問題，只要做到點撥和指導，讓學生在研究和歸納的過程中感性地理解物理變化及其規律，這樣學生最終不僅可以更深入地理解物理學的現象，而且可以學會物理學的一種精神，即獨立思考、大膽假設和嚴謹探索實驗的科學精神。
一幅圖擺在學生面前，不同程度的學生會有不同的理解，但只要看出相關的問題，教師就可以給予肯定，盡可能調動學生的積極性；在同學們對解決問題的討論中切磋，懂得互助，學會合作。
6．新儀器是時代進步的產物，推動教師腳踏實地的研究它，同時促進自己應對課堂的綜合能力的再提高。
現代技術的不斷提高，給教師帶了機遇和挑戰，教師要在新課程中體現自身的價值就必須再學習，必須接受新儀器，新手段。學會對傳統實驗進行“再挖掘”，為開發其潛在的教育和教學功能作好充分的研究。
新技術的使用不是花架子，它的使用豐富了傳統的實驗，在科學的基礎上使實驗有新的發展，并且豐富了學生的視野、開闊了他們的思路。但新技術的使用，對于剛剛接觸這種研究手段的學生來說，理解起來會有困難，因此教師應該注重引導，循序漸進，對新儀器以及使用新儀器采集到的相關信息進行及時解釋。
值得注意的是，越在以現代技術手段為支撐的教學活動中，協調好師、生與媒體三者之間的關系越顯得尤為關鍵。由于媒體的影響，學生的注意力極有可能從教學活動中游離出來，從而影響教學，因此必須加強對學生活動的引導與控制，做到收放自如，使教學活而不亂。
綜上所述我們感到，課程改革是隨著社會發展、時代進步的必然進程，課程改革促進了教師再發展。新的教學模式需要教師的探索，新儀器需要教師的研究，只有教師將自己的思想與教學行為提升到與時代同步，才能帶動學生的發展，才能讓中學階段培養學生的實踐精神和創新意識得到發生和發展。數字化實驗儀器的使用讓學生的思維達到了更高的層次，數字化實驗在我區僅僅是個開始，今后我們會繼續將融入信息技術的探究課堂深入研究下去，以期得到更好的課堂改革經驗，在課堂教學的實效性上的到更好的成果。
參考資料：
1．郅庭瑾．《教會學生思維》．教育科學出版社．2001年版
2．廖伯琴 張大昌．《普通高中物理課程標準（實驗）解讀》．湖北教育出版社
基于數字化實驗系統的物理實驗拓展的研究山東省鄒平縣第一中學
李進 摘要：從實驗儀器、實驗原理、實驗目的三個角度論述運用數字化實驗系統對物理實驗進行拓展，提出從多個角度對物理實驗進行拓展研究是探索數字化實驗系統與物理課程整合的有效途徑之一。
關鍵詞：數字化實驗系統 物理實驗 物理實驗拓展
實驗是物理教學的重要內容和手段，是培養學生科學素養，提高學生能力的有效途徑。信息化21世紀的標志，是當今世界經濟和社會發展的大趨勢，以網絡技術和多媒體技術為核心的信息技術已成為拓展人類思維的創造性工具。在基礎物理教學領域，信息技術與物理課程整合日益成為人們關注的熱點，并取得了豐富的理論與實踐成果。
一、問題的提出
1．信息技術與物理課程的整合的意義
信息技術與課程整合的內涵要求運用信息技術作為工具，使課程內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生的互動方式實現全新的變革，促進教學過程中的各個要素和環節實現全面優化。目前，信息技術與物理課程整合的方式主要有三種：以傳感器的方式進入物理教學的實驗領域；以仿真模擬的方式進入物理教學的思維領域；以網絡通信的方式進入物理教學的交流溝通領域。將信息技術有效融合于物理教學過程來營造一種新型的教學環境，實現一種既能發揮教師主導作用又能充分體現學生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的教與學的方式，從而把學生的主動性、積極性、創造性較充分地發揮出來，使學生的創新精神和實踐能力的培養真正落到實處。
2．數字化實驗系統與物理課程整合的優勢
數字化實驗系統是一種全新的軟硬件一體化的實驗系統，它具有多類型的傳感器、多通道的數據采集器、多樣化的自主操控平臺以及強大的函數圖像處理系統，實現了實驗手段數
[3]
[2]
[1]字化、測量呈現實時化、現象規律可視化、操作測量簡單化，在真實實驗的基礎上實現了信息技術與物理實驗教學的整合，在延續傳統的同時超越傳統。
3．新課程對數字化實驗的要求
我國新一輪中學理科課程改革對信息技術尤其是基于傳感器的數字化實驗室與課程整合提出了明確要求。2003年新公布的《普通高中物理課程標準(實驗)》對信息技術與物理課程整合提出：信息技術要進入物理實驗室，即重視將信息技術應用到物理實驗室，加快中學物理實驗軟件的開發和應用，諸如通過計算機實時測量、處理實驗數據，分析實驗結果等。[4]高中物理新教材中的一些演示實驗和“做一做”等欄目也出現了數字化實驗系統應用的案例。基于傳感器和計算機技術的數字化實驗系統為實現學習方式的多樣化，引導學生的自主探索研究，進行廣泛的體驗、合作和交流提供了時間和空間，DISLab曾被喬際平教授譽為“科學分配教育時空的新探索”。
[5]
二、基于數字化實驗系統的物理實驗的拓展
數字化實驗系統提供了一個新的實驗探究平臺，使學生能從數據讀取、記錄，公式運算和圖線描繪等繁瑣的簡單勞動中解脫出來，從而有足夠的時間對物理現象進行多角度的感知和多視角的探究。同時，我們要認識到數字化實驗系統與物理課程的有效整合需要先進的教育思想，它的合理應用本身就要求同時變革傳統教育觀念、教育思想與教育模式，代之以尊重人的主動性、首創性、反思性、合作性的全新的教育觀念、教育思想與教育模式。筆者認為，數字化實驗系統的優越性的充分發揮應基于新的實驗教學理念，物理課堂是物理教學的主陣地，任何教學方式的改進都應該首先能夠服務于課堂教學。從多個角度對原有實驗進行拓展研究，是一個重要的研究方向。
1．實驗儀器的拓展
實驗儀器是物理實驗的物質載體，實驗儀器的有無、數量的多少、性能的優劣直接影響實驗效果，影響課堂教學質量。數字化實驗系統將實驗數據數字化，在真實實驗的基礎上實現了信息技術與物理實驗教學的整合。盡管用傳感器代替了部分測量儀表，但并沒有脫離傳統的實驗裝置，而是借助其實驗優勢填補了傳統實驗中諸如微小量測量、暫態量測量等多個測量空白，這預示著它具有很強的拓展性。
⑴數字化實驗系統與傳統儀器的整合傳統的物理實驗是學生獲取物理知識最直接的手段、最真實的經驗和最好的感性材料，是培養學生基本實驗技能的途徑。數字化實驗在延續傳統的同時超越傳統，是傳統實驗的拓展和延伸。數字化實驗與傳統實驗的整合應能夠服務于學科教學，適應學生的認知水平，以發揮最優化的教學效果。
[6]
教學活動中，我們可以使傳統實驗儀器與DIS實驗系統相互配合，發揮各自優勢。例如在“自感現象”的教學中，幾十年來都在使用一種成品教板，由實驗電路圖1和圖2分別演示通電自感和斷電自感。用燈泡演示自感現象不能確切反映電流和電壓變化的過程，電流較小時燈泡不能發光。燈泡無極性，不能顯示電流的方向。另外，實驗器材規格匹配性不好，實驗現象的可見度低等缺點也會使實驗效果不理想。數字化實驗系統用傳感器采集電流、電壓，能實時保持實驗數據并顯示穩定的圖像，有效克服了上述缺憾。筆者根據圖3所示的電路，用兩個電壓傳感器分別測量兩個支路的電壓，獲得了圖4所示的圖像，圖像清晰顯示了通電自感和斷電自感過程中兩支路電壓的變化。我們還可以在支路中接入電流傳感器，分析電流的變化情況。這樣，我們在教學活動中可以先通過傳統實驗儀器引導學生觀察現象，獲得感性認識，激發探究欲望，然后借助數字化實驗系統深入探究自感現象的特點和規律。
另外，我們可以將傳感器與傳統實驗裝置進行組合，借助原有實驗裝置的結構原理，發揮數字化實驗的優勢。例如在探究彈簧振子的運動規律時，可引導學生對彈簧振子的物理模型進行拓展，分析水平方向單彈簧振子、水平方向雙彈簧振子及豎直方向的彈簧振子等。研究水平方向彈簧振子的運動可用氣墊導軌（或軌道小車），將氣墊導軌的滑塊（或小車）上固定位移傳感器的發射器作為振子，振動過程中軌道小車的阻尼振動較氣墊導軌的滑塊更加明顯。研究豎直方向彈簧振子的運動時，可直接將位移傳感器的發射器作為振子。這樣的實驗數據依然來自傳統的實驗裝置，只是數據采集和分析處理的手段借助數字化實驗系統得到顯著改觀。
⑵數字化實驗系統與“非常規”物理實驗的整合
“非常規”物理實驗，是指選擇利用環境中“非專門化”的物質手段，不按固定方法或形式，人為控制條件、有目的實施的觀察與探索物理規律的實驗教學活動。在資源利用上，“非常規”物理實驗是直接利用環境中“本來用途不是用來開展實驗”的物質資源，包括生活易得物品、材料、器具、人體自身、交通工具、建筑設施、娛樂器材等，同時包括利用研發自制的實驗器具。采用“非常規”物理實驗開展教學活動能夠采取靈活、簡便的方法與形式，使實驗過程體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性與生活化。
筆者在教學實踐中嘗試開發“非常規”物理實驗的教育教學功能，取得很好的效果。
例如，筆者利用DISLab系統對探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗進行改進。此實驗原采用圖5所示的裝置分析彈性片長度和質量對振動周期的影響。通過實踐研究發現，其實驗裝置尚有不足之處：其一，將鋼尺插在紙盒的縫隙中，還需要將紙盒通過某種方式固定牢固；其二，鋼尺只是插在紙盒的縫隙中，在振蕩時難以保證鋼尺伸出的長度不變，并且多次使用后紙盒縫隙處難免不被撕裂；其三，在鋼尺上固定毛筆以及通過插橡皮塊改變質量等方面操作很不方便。筆者就地取材，使用實驗室中的臺虎鉗固定彈性片，通過在鋼尺上吸附磁鐵塊來改變質量，器材組裝如圖6。
[8][9]
[7]
另外筆者認為，自制教具價格低廉，易于普及；簡單明了，易于揭示物理規律的本質特征；而且易于使學生感到親切，其中含有許多富有創造性的因素，因此因校制宜地發動任課教師創造教具，具有十分現實的意義。
筆者用飲料瓶、輸液管、泡沫盒等自制一套實驗裝置，配合DISLab力傳感器（見圖7）借助其動態波形數據采集、求平均值、鼠標顯示坐標值等功能對教材中分子間作用力實驗（見圖8）進行改進，利用力傳感器高靈敏度等優點實現實驗儀器微型化，直觀顯示出分子間作用力的存在，并且更換玻璃板、有機玻璃板、鋁板，采集到同樣的波形（見圖9），進一步證明了分子間作用力的普遍性。
[10]
⑶數字化實驗系統與虛擬儀器的整合
隨著多媒體技術的發展，許多虛擬儀器的產生為物理實驗教學注入了新的活力。利用虛擬儀器做實驗，可以自行設置各種參數，以控制其達到理想的效果。曾有教師利用虛擬示波器軟件與DISLab有效整合進行聲波干涉實驗有效克服傳統實驗的缺點，取得很好的效果。[11]虛擬儀器的應用突破了現有實驗條件的限制，排除了各種干擾因素對實驗的影響，它與數字化實驗系統的整合值得深入研究。
2．對實驗原理的拓展
實驗原理，體現著物理思維，因此對實驗原理的拓展，有利于訓練學生的創新思維能力。對實驗原理進行拓展，應該廣泛考慮學科內外各部分知識之間的聯系，綜合運用各種實驗思想和實驗手段以達到最優化的實驗效果。
在上述探究影響彈性片振蕩周期的因素的實驗中，用圖5所示的裝置獲得圖10所示的振動圖像，這種采用較為傳統的留跡法獲得彈性片振動周期的方法存在一定的局限性。筆者使用磁傳感器和微電流傳感器，將彈性片的振動轉化為磁感應強度和感應電流的周期性變化，通過易測量量獲得難測量量，有效突破了操作難點。圖11和圖12分別是磁感應強度和感應電流周期性變化的圖像，它們都可以反映彈性片的周期性振動。該實驗采用電磁學的知識和測量手段來研究振動問題為物理實驗的改進研究提供了很好的思路。
此外，筆者從開發組合實驗，拓展學生思維的理念出發開發出“探究彈簧振子的振動圖像”、“探究聲波的振動圖像”、“探究轉速的測量”等系列實驗，使用不同的傳感器對同一物理現象進行探究，學生在探究過程中不斷深化對學科知識之間的聯系，體驗物理學思維方法的無窮魅力。以“探究彈簧振子的振動圖像”為例，筆者除采用位移傳感器外，還采用了磁傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、微電流傳感器等配合相應的實驗裝置獲得了不同的振動圖像，見圖13。這種多側面、多角度地研究同一物理現象，使學生體會到科學研究領域的“殊途同歸”。
3．對實驗目的的拓展
傳統的物理實驗多是驗證性實驗，學生對教材中的實驗往往采取簡單的“拿來主義”，機械地按照實驗要求進行操作，無法深入鍛煉學生的探究能力。因此，在完成常規實驗內容的前提下，教師可以根據學生的知識水平對實驗目的進行拓展，引導學生進一步探究，激發學生的學習興趣。
例如，在探究通電螺線管內部磁感應強度的實驗中，學生很容易想到用磁傳感器直接探測通電螺線管內部磁場，如圖14所示，我們可以得到磁場強度的變化圖像。在此基礎上我們可以提出，能否直接獲得磁感應強度與探測深度的關系圖像呢？學生受到啟發，想到將磁傳感器與位移傳感器組合的方法，如圖15所示。那如何分析通電螺線管內部磁感應強度與電流的關系呢？學生很快想到用磁傳感器與電流傳感器組合。隨著對實驗目的的逐步拓展，學生對物理現象的認識逐步加深，探究物理現象的興趣逐步提高。在此基礎上還可以引導學生進一步思考：什么是勻強磁場？獲得勻強磁場需要螺線管具備怎樣的特征？學生提出假設，不斷改進實驗裝置來加以驗證，使學生在獲取知識的過程中體驗物理學的魅力。
再如，在“電容器和電容”的教學活動中，傳統的實驗是利用平行板電容器與驗電器組合，采用控制變量法來定性地分析電容的影響因素。該實驗對實驗儀器和實驗環境的要求很高，很難獲得理想的實驗效果，無法顯示電容器充放電過程中電流、電壓的變化，無法研究電量與電壓之間的定量關系。運用數字化實驗系統可以快速獲得電流、電壓隨時間變化的關系圖像，通過積分運算獲得電量的數值，進而驗證電容公式的正確性。這樣將定性實驗上升為定量實驗。在學生對電容器的工作原理有了較全面的認識之后，我們還可以通過分析圖像的細節引導學生認識日常生活中電容器在儲能、延時等方面的應用。
數字化實驗系統作為一種實驗工具可以從多個角度加以拓展，結合具體實驗引導學生多角度、全方位地認識物理規律不僅有助于學生掌握實驗儀器的使用規律和物理學的研究方法，還能夠促使其推而廣之，將上述思想方法應用于其它學科的學習以及日常的生產、生活之中。
三、結束語
在教學活動中，為了實現預期目的，教學主體總是要采用一定的手段作用于對象。教學手段是教學活動不可缺少的組成部分。
[12]
數字化實驗技術為物理教學提供了先進的實驗手段，但它并不代表先進的教學思想。先進的教育技術手段與先進的教學思想有機融合才能實現技術與課程的充分整合。因此，教師在教學活動中不能單純的注重教學手段的先進，更要重視教學思想的轉變，重視教學過程和學生學習過程的研究。基于數字化實驗系統的物理實驗的拓展體現著先進的教學思想，這有待于更多的一線教師從更廣泛的角度去研究。
第五篇：物理數字化實驗中出現的待解決問題
物理數字化信息系統實驗過程中存在的問題
一、教師端和學生端的控制轉換操作如何進行？（上次來的專家沒給我們演示
一下，我們還是操作出現困難）
主要問題是：
1、教師主機對學生分機控制與交流，2、學生提交作業和批閱
3、教師端給學生反饋的信息回復
4、如何在大屏幕上展示學生提交的作業出現的問題
二、通過幾個實驗的操作發現的問題：
實驗1 靜摩擦力研究
【實驗裝置示意圖】
【實驗中出現的問題】
1、實驗采集的數據圖像比較粗糙，是一簇糾纏在一起的“麻繩”狀粗線條，如圖：
2、實驗配套的摩擦塊只有2塊（各為100g的金屬扁盤），這樣得到的f-FN圖像數據點只有
12個，理論上無法嚴格證明滑動摩擦力f和正壓力FN的線性關系。（我們解決的方案是在扁盤上加放50g的砝碼，從1個加到3個，這樣可以增加數據點的個數）。
3、根據實驗表格中的數據，通過電腦自動擬合得到的f-FN圖像雖然符合很好的線性關系，但是直線并沒有過原點，這樣就無法解釋f＝μFN的正比例關系。如圖：
實驗2 從v-t圖求加速度
【實驗裝置示意圖】
【實驗中出現的問題】
1、試驗采集的數據圖像不夠平滑，一開始有反向圖線，或者有突然“跳動”的圖線。跟說明書上示范的圖像有很大差距。
實驗說明中的示范數據圖像
我們實際操作的數據圖像
實驗3 分壓與限流
【實驗中出現的問題】
按照說明書上此實驗需要兩個電壓傳感器，但是實際只給配了一個電壓傳感器，所以該實驗無法正常操作。
實驗4測定小燈泡的伏安特性和測定電源電動勢內電阻，實驗過程中存在問題：
1、質量不穩定：
2013年9月實驗的過程中，有大部分電流傳感器和電壓傳感器質量不穩定，用一下就出問題了，使用過程中發現實驗時有時存在一些莫名的錯誤提示，有時只能用重啟電腦來解決，有時重裝那個系統實驗文件才能解決問題，所以在實驗過程中可能會出現一些不確定因素影響實驗的進行。
2、用傳感器做實驗就象用電腦一樣偶然因素太多，可能因軟件或其他原因導致實驗過程中出錯或死機。
3、傳感器在操作中有時會出現不計數現象，不是接觸不良的問題，需要把程序重新啟動就計數了，是什么原因？
4、電學實驗歐姆定律的實驗中，在計數和處理圖像擬合時，有時圖像會跑到第三象限調不過來？
實驗5利用雙縫干涉實驗測定波長
在雙縫干涉實驗中，在得到干涉圖樣后，根據公式計算波長時數據輸入不進去，得不到最終數值結果
實驗6《平拋運動》的實驗
實驗質量不穩定：2013年4月實驗的過程中，有時數據采集不到 在數據采集和操作上需培訓
實驗7《運動的合成和分解》的實驗
實驗裝置組裝不成功，裝置樣本圖太簡單，老師們裝不起來
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