數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗在初中物理熱學(xué)中的對比研究

劉啟書

摘 要：簡單介紹數(shù)字化實驗平臺，應(yīng)用此平臺完成水的沸騰和晶體與非晶體的熔化實驗，并與相應(yīng)的傳統(tǒng)實驗進行對比，進而認識各自的優(yōu)點和不足。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；沸騰；熔化；沸點；熔點

我校的數(shù)字化實驗室已經(jīng)建立了多年，通過一段時間的使用，總體來說，學(xué)生對它都是持肯定的態(tài)度，有的學(xué)生說數(shù)字化實驗室的使用給學(xué)習(xí)帶來了不少便利，也有的學(xué)生說不能充分體現(xiàn)中考的要求，有的考點尚不能完全落實。本學(xué)期我們初中物理組將學(xué)生分成了兩大類，一類做數(shù)字化實驗，一類做傳統(tǒng)實驗。現(xiàn)在我們將這次實驗結(jié)果比較如下：

一、水的沸騰實驗分析

1.傳統(tǒng)實驗探究水的沸騰

傳統(tǒng)實驗是按照教材進行操作，利用溫度計來測量溫度，用秒表來記錄時間，看時間的同時還要準確讀數(shù)，很難做到同時性，讀完了數(shù)據(jù)還要記錄在設(shè)計好的表格內(nèi)，用數(shù)學(xué)畫函數(shù)圖象的方法根據(jù)表格數(shù)據(jù)描點、連線，而描出來的點并不具備連續(xù)性，使得誤差加大。這種實驗的優(yōu)點在于學(xué)生既練習(xí)了溫度計的使用，又練習(xí)了秒表的使用，而且符合中考要求，要求學(xué)生掌握的技能比較全面。

2.數(shù)字化探究水的沸騰

實驗裝置：數(shù)字化實驗平臺、溫度傳感器、大試管、酒精燈、鐵架臺、水。

實驗步驟：（1）將溫度傳感器與電腦相連，打開工作室界面，設(shè)置傳感器的頻率為10次/分。（2）將溫度傳感器伸入熱水中固定好傳感器。（3）點燃酒精燈給水加熱，當溫度顯示為90℃時開始記錄，隨著實驗的進行，采集器把時間和溫度的變化數(shù)據(jù)記錄到電腦中，通過圖表顯示出來。

數(shù)據(jù)分析：由PLAB思邁數(shù)字化物理實驗軟件做出的圖像圖3很清楚地展示出溫度的變化，通過上圖，不難看出，水的溫度從85℃到95℃之間是逐漸上升的，但也有發(fā)生變化的情況，而96℃后的溫度比較平穩(wěn)，卻并不是一條直線。它真實地反映了實驗中溫度的具體變化過程，這些都在誤差范圍內(nèi)。

二、晶體和非晶體的熔化

1.石蠟的熔化

石蠟是塊狀固體，要想讓溫度傳感器與石蠟充分接觸很不容易，我們特地將石蠟切成小塊，然后將溫度傳感器深入石蠟并擠壓使其緊密接觸。而石蠟傳熱較慢，又不能用酒精燈直接加熱，所以只有用水浴法進行加熱。

本實驗器材為：石蠟、水、酒精燈、燒杯、大試管、鐵架臺、溫度傳感器、PLAB實驗平臺。

實驗步驟：（1）用酒精燈加熱水大約90℃。

（2）將裝有溫度傳感器的大試管輕輕放入燒杯的水中，充分接觸。

（3）接好傳感器，開始記錄數(shù)據(jù)。隨著實驗的進行，采集器把時間和溫度的變化數(shù)據(jù)記錄到電腦中，通過圖表顯示出來。

數(shù)據(jù)分析：通過實驗平臺記錄的數(shù)據(jù)，我們不難發(fā)現(xiàn)，從整體上看，石蠟在熔化過程中溫度是逐漸升高的，雖然個別時刻溫度在降低，卻也完全符合實驗事實。降低的原因主要體現(xiàn)在溫度傳感器與石蠟的結(jié)合緊密程度有關(guān)，空氣流動狀況也會影響到傳感器的讀數(shù)。正是因為傳感器的精確度高，反應(yīng)靈敏，我們才看到了石蠟熔化時的溫度值。

2.海波的熔化

海波是物理化學(xué)實驗中的理想藥品，其熔化的溫度不高也不低，十分適合實驗室操作。海波是細顆粒狀的晶體，方便溫度傳感器插入其中，達到充分接觸的目的。而冰雖然是常見，但它是塊狀固體，傳感器插不進去，而且在較低溫度時就熔化了，不好掌握。

實驗原理：任何物質(zhì)，在溫度升高時，物態(tài)也會發(fā)生變化。

主要實驗方法：水浴法（使晶體均勻受熱）。

實驗器材：鐵架臺、酒精燈、石棉網(wǎng)、水、燒杯、試管、晶體（海波）、溫度傳感器、PLAB數(shù)字化實驗平臺、玻璃棒。

操作提示：（1）把裝有海波的試管（高度約3cm）放在盛有熱水（稍低于熔點，海波的熔點是48℃）的大燒杯里。試管內(nèi)裝有溫度傳感器，傳感器設(shè)置為每分鐘記錄10次。

（2）當海波的溫度接近熔點時，稍減慢加熱速度。注意觀察海波的變化：試管壁開始→海波逐漸熔化→溫度基本保持在熔點左右→海波全部熔化后→溫度持續(xù)上升。約超過熔點3℃時停止加熱。

實驗現(xiàn)象：（1）開始加熱時，海波物態(tài)不變，電腦示數(shù)逐漸增大。（2）在一定的溫度下（熔點）海波開始融化，熔化過程中吸熱，但電腦示數(shù)基本保持不變，海波處于固液共存態(tài)。（3）當海波全部熔化完畢，繼續(xù)加熱，電腦示數(shù)再逐漸增高。

實驗完成后停止加熱，電腦也停止記錄數(shù)據(jù)，把電腦處理好的數(shù)據(jù)進行分析，這在很大程度上避免了學(xué)生在采集數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的失誤，減少了學(xué)生采集實驗數(shù)據(jù)不可用的情況的出現(xiàn)，同時也避免了很多不必要的誤差，有利于學(xué)生對數(shù)據(jù)的分析以及結(jié)論的得出：海波的熔點大致在47℃左右。

從以上實驗可以看出，PLAB實驗設(shè)備不同于傳統(tǒng)商業(yè)儀器，它在物理教學(xué)中有相當多的優(yōu)勢。

（1）實驗過程更加簡化，實驗時間大大減少，實驗效率明顯提高。

（2）實驗所得的實驗數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的實驗方式相比要更加符合客觀的規(guī)律，數(shù)字化實驗設(shè)備這種由采集器、傳感器、實驗附件以及相應(yīng)軟件組成的實驗系統(tǒng)，可以使學(xué)生更精確地采集數(shù)據(jù)。這在很大程度上避免了學(xué)生在采集數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)的失誤，減少了學(xué)生采集實驗數(shù)據(jù)不可用的情況的出現(xiàn)，同時也避免了很多不必要的誤差，有利于學(xué)生對數(shù)據(jù)分析以及結(jié)論的得出。

（3）數(shù)字化實驗設(shè)備不得不提的是它的可視化，學(xué)生第一次通過我的介紹，見到這種直觀地通過數(shù)字、波形、儀表、柱狀等多種形式顯示出來的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)時，好奇心很強。

（4）數(shù)字化實驗設(shè)備能快速地處理實驗數(shù)據(jù)，這相比傳統(tǒng)的代入數(shù)據(jù)計算少了計算的過程。

我校數(shù)字化實驗室的投入使用給我校師生帶來了良好的教學(xué)效果，相信隨著使用經(jīng)驗的累積，以及教師專業(yè)技能的提高，物理探究性實驗教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量將會有進一步提高。

編輯 張珍珍