基于信息化平臺下創新型物理實驗的開展

阮燕騏

（開封廣播電視大學 現代教育技術中心，河南 開封 475000）

基于信息化平臺下創新型物理實驗的開展

阮燕騏

（開封廣播電視大學 現代教育技術中心，河南 開封 475000）

如何有效激發學生對物理實驗課程的學習興趣，提高其學習主動性，培養其在物理實驗中的創新性和科學探究能力，充分體現出物理實驗教學的理念，是當前大學物理實驗教學中一個亟待解決的難題.本文針對物理實驗課，研究并探索了基于信息化平臺下創新型物理實驗的開展并進行了實驗嘗試(以基于信息化平臺下，鋰電池電動勢和內阻的研究為實例)，希望借此能夠有效激發學生對物理實驗課學習的興趣和主動性，并使我們在提高學生科學探究能力方面獲得一些有益的模式及方法.

信息化平臺；創新性；物理實驗；實驗報告

我們知道要在物理實驗課中更有效地培養學生的學習興趣、創新能力、科學探究能力并提高其動手和學習的主動性，就要求我們在實驗的開放性和綜合性方面進行研究拓展.那么要達到這樣的目的勢必會讓學生花費更多的時間和精力，這與在學校教學計劃中課程安排里分配給物理實驗的有限學時是相矛盾的，因此這在很大程度上又會限制了創新性物理實驗的有效開展.如何解決這一矛盾，我們可以嘗試將信息化平臺與創新性物理實驗相結合，利用信息化平臺的不可比擬的優越性來有效提高實驗的效率，縮短實驗周期，充分發揮實驗的創新性教育功能，促進創新型高素質人才的培養.通過在實驗教學實踐中引入信息化綜合實驗平臺，并對其進行適當的改造和應用，讓它與我們老的實驗設備相匹配，同時對其進行詳細研究，在實驗方法上找到一個與我們傳統方法的契合點，充分發揮其優勢，盡最大程度的抑制其劣勢（如過多過濫盲目使用反而會削弱學生的動手能力）.這里再應引入一個名詞：DIS實驗室即數字信息系統實驗室(Digital Information System laboratory).它是由“各種傳感器＋數據采集器＋實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）＋PC機”構成的新型實驗系統.那么就國內影響度、使用范圍來講當推由上海和山東聯合開發的朗威數字化信息系統實驗室(Digital Information System laboratory，簡稱DISLab)其組成和特點如下：朗威DISLab設計新穎，種類齊全，操作簡便，既可以用來做各種物理定性實驗，又可以用來做各種物理定量實驗.其使用也是貼近人性化，具有很強的實用性和易操作性，只須將DISLab的各類傳感器（針對具體實驗情況來選擇）通過數據采集器（具有很強的計算機兼容性）與計算機聯接后，安裝相應配套軟件并適當設置軟件的相關參數之后運行軟件就可開始采集實驗實時數據，得到的實驗數據既可以用軟件自帶的一些函數來進行處理也可以以Excel表格的形式導出，軟件繪制的圖線可以方便的存為圖片文件.當然對于一些更為復雜的實驗數據處理我們還可以采用Origin軟件，它是由美國Microcal公司推出的基于windows操作平臺的數據分析和繪圖軟件，它具有更加強大的數據處理功能，處理物理實驗數據時，只要輸入相應測量數據，然后再選擇相應的菜單命令，點擊相應的工具按鈕即可.

它是隨著現代計算機軟硬件技術的高速發展應運而生的針對于物理實驗領域的高新技術.其基本思路是，先通過相應傳感器測量所需物理量，將其遞給數據采集器；再經由數據采集器把實驗數據傳遞給PC機；最后通過PC機安裝的各種數據分析處理軟件對數據進行分析、計算、通過圖表、曲線甚至二維和三維繪圖模板等各種方式給出實驗數據處理結果，并可根據實際教學要求對實驗數據進行進一步分析與處理.

1 實驗原理

圖1

在圖1所示的電路中，U為R兩端的電壓，設閉合電路電流為I，由歐姆定律得：

①，將(1/R)作為自變量1/U作為因變量，建立直角坐標系，則(1/R)為橫坐標，1/U為縱坐標，可做出該式所代表的直線（由解析幾何可知）那么即得到該直線的斜率k和截距b則由①式可算出鋰電的電動勢E及內電阻r.

2 涉及器材

主流Pc機并預裝有數字化實驗室軟件一臺，DIS數據采集器，電壓傳感器若干，常用鋰電池(3.6v)l粒，QJ 23型直流單電橋1臺，單刀單擲開關1只，導線若干.

3 基于信息化平臺的實驗步驟

（1）先將DIS數據采集器正確裝配于PC機相關接口，（方法參見計算機外部設備連接法），按照圖l所示連接電路，將電壓傳感器接入數據采集器.

（2）將P C機開機檢測以上安裝是否到位并打開數字化實驗室軟件，將單刀單執開關斷開并將傳感器歸零位.

（3）調整單電橋首先按器材要求正確接入連線，檢查無誤后將單電橋調整平衡，注意不要將線接錯.

（4）在軟件界面中點擊“計算”，再點擊“變量”輸入變量名稱R，(R為單電橋輸出阻值).

（5）通過分別調整單電橋R的輸出阻值，經傳感器測量得相應電壓值U；本實驗采集8組數據.見下表：

R M(1/U) N(1/R) 13.45200.28990.050023.43190.28150.052633.4218.30.29240.054643.417.10.29410.058553.38160.29590.062563.3715.30.29670.065473.36140.29760.071483.3512.20.29850.0820U

（6）在軟件中增加變量M、N點擊“公式”，分別輸入自由表達式，作M-N圖.

（7）軟件中選擇曲線猜想與線性擬合選項對M-N圖進行擬合，便得一斜線，并解析得斜率k和截距b（斜線截圖略）.

4 數據處理與結論

依據已獲得的斜率k和截距b易得直線方程：

Y=0.0142857X+0.2857，

比對前文推導①式1/U=(r/E)×(1/R)+1/E，知斜率（k）為r/E，截距（b）為1/E；故得，E=1/b=1/0.2857=3.5V，（即電動勢為3.5伏）r=k/b=0.0142857/0.2857=0.05Ω（即內阻為0.05歐）.

5 須知

（1）為保證實驗效果，應選用新或較新鋰電池.

（2）為不更多損傷鋰電池實驗時應采取瞬間通電讀數的方式.

（3）因鋰電池本身內阻極小，應注意該電路在的阻值過小時短路的風險，否則會嚴重損壞設備和鋰電池本身，因此控制單電橋時不應使其阻值小于8Ω.

6 拓展研究

我們還可以利用信息化平臺（朗威數字化信息系統實驗室）繼續加深該實驗的難度，以下簡要介紹對鋰電池特性的更深一步探究，研究其電動勢的逐步減小內阻的變化情況.

我們可以將電路略微改造，如在電路中串聯一個適當容量的空電容器，通過控制開關的閉合頻率和時間來達到放電的目的.據此，我們利用同一節鋰電池進行適當放電，在該過程中分別測量出不同時期的電動勢和內阻的30組數據（略）.在D I S軟件計算表格中新建兩個變量，分別為E和r（即鋰電池的電動勢和內阻），將測得的30組顯示在表格中，選擇曲線猜想與線性擬合選項得一直角坐標系下曲線圖（注:此時r為橫軸E為豎軸），實驗結果顯示在鋰電池放電（使用）過程中，電池電動勢會緩慢減少，內電阻則略微增大，大致相似于對數擬合，擬合曲線方程略（圖略）.

7 結束語

當然以上實驗是選擇的較常用的一種鋰電池，而鋰電池是當代各種電氣設備的標配能源，其優點是電容量大，內阻小，使用時間長，較好的放電平穩性、可多次充放電等；而為了不同的使用要求，同時不同廠家的質量標準不同其規格也是多種多樣的，質量也是有優有劣，這就勢必造成了其不同的參數和特性，但其宏觀特性應該是差別不大的，這也是由局部看全貌的道理.該實驗中由于電池對不同的溫度的敏感性，他有一個正常工作的溫度范圍限制（一般情況下為60℃—-20℃），在該范圍內它都能正常工作，但是隨著溫度的變化，它的放電特征會有所變化，如電動勢、內阻、及使用時間都會不同，這也是造成同一個電池在不同的溫度下實驗會得到略有差異的結果的原因.另外，由于傳感器的本身特性，比方說溫度、濕度、和其他一些因素（如質量原因）等也是造成微小誤差的原因.但無論如何這些誤差總體會控制在一個較小的范圍（同傳統的實驗方法相比）.該實驗并不是一個較為復雜的實驗，它是一個傳統的經典實驗，但在此賦予它了新的基于信息化平臺下的研究方法，其目的也是拋磚引玉的作用.通過基于信息化平臺下的D I S法來測電池的電動勢和內阻，其優點是不言而喻的，首先其精度是高度準確的，而后大大簡化了電路的復雜度，并提供了強大的數據處理能力，和友好的軟件圖形界面；通過軟件曲線猜想與線性擬合功能，使我們直觀的看到了數據的內在特性——本實驗中數據的線性特征，借助于電子計算機（即pc機）高度靈活、強大、快捷的運算處理能力使我們對數據的認識更加深了一步，同時對數據的認識更加直觀，進一步可知該方法在應用于更加復雜、需要大量冗雜數據處理的高難度實驗中將發揮革命性的作用，這里我們看到了信息化平臺在物理實驗中的強大優勢，大大提高了物理實驗效率，也縮短了單個實驗時間，有利于學生創新性物理能力的培養和發展.這也是我通過該實驗想表達的初衷——希望對信息化平臺引入到物理實驗領域起到拋磚引玉的作用，從而能得到更加深入廣泛的發展，以培養出大批高素質創新型人才，為我國教育事業的發展做出應有的貢獻.

〔1〕楊述武.普通物理實驗(電磁學部分)[M].北京：高等教育出版社，2002.

〔2〕李松嶺，李明雪.物理創新性實驗的六大設計原N[J].物理與工程.2007，17(6).

〔3〕上海市中小學數字化信息系統研發中心，山東省遠大網絡多媒體有限責任公司.朗威數字化信息系統實驗室V5.0用戶手冊[M].2005(9).

〔4〕徐銳.DIS數字實驗系統在物理教學中的作用[J].現代教育技術.2008，18(6).

〔5〕劉景世.開展設計性物理實驗，培養創新型人才[J].中國成人教育，2005（12）.

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1673-260X（2010）08-0009-02