將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)淺探

邢海根 傅求寶

[摘 ? 要]文章分析了用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律的缺點(diǎn)，如組裝難度大、實(shí)驗(yàn)誤差大等。在此基礎(chǔ)上，提出了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方向;設(shè)計(jì)了用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的方案，簡(jiǎn)述了用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律的過(guò)程，并對(duì)兩種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較，得出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作方便、數(shù)據(jù)精確、實(shí)驗(yàn)過(guò)程連續(xù)直觀的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)例總結(jié)了將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字化實(shí)驗(yàn);傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);融入;帕斯卡定律

[中圖分類號(hào)] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2020）32-0047-03

為了提高傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的精確性，為了能夠適時(shí)連續(xù)測(cè)量，快速繪制數(shù)據(jù)間的圖像，在測(cè)量某個(gè)特殊點(diǎn)或是某個(gè)瞬時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，我們就需要將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中。另外，當(dāng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置太復(fù)雜，觀測(cè)誤差較大時(shí)，就需要將裝置簡(jiǎn)化，有時(shí)需要將定性研究變?yōu)槎繙y(cè)量，甚至通過(guò)定量測(cè)量來(lái)繪制圖像說(shuō)明物理量的變化遵循某種規(guī)律時(shí)，都應(yīng)考慮將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。現(xiàn)以研究帕斯卡定律為例，說(shuō)明何時(shí)應(yīng)將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一、傳統(tǒng)研究帕斯卡定律實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在研究密閉氣體壓強(qiáng)向各個(gè)方向的實(shí)驗(yàn)時(shí)，是豎直固定3個(gè)注射器，使3個(gè)注射器的活塞處于同一高度，3個(gè)注射器的針管連接軟管與三通管相連，在3個(gè)注射器的某個(gè)拉桿上端加一個(gè)砝碼，另兩個(gè)注射器內(nèi)的活塞立即上升，再在另兩個(gè)注射器的拉桿上端分別加質(zhì)量相同的砝碼，3個(gè)注射器的活塞最終處于同一高度，從而得出結(jié)論。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究密閉液體壓強(qiáng)向各個(gè)方向傳遞的實(shí)驗(yàn)是取一帶活塞的容器，在容器側(cè)壁不同高度處引出3根軟管，并將3根軟管豎直固定，在容器內(nèi)盛滿水，用活塞壓縮容器內(nèi)的水，3根軟管內(nèi)的水面總是相平的，從而得出結(jié)論。這些實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，受到摩擦力等因素的影響，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度不高，教學(xué)過(guò)程中教師費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，結(jié)果教學(xué)效率還不高。

二、各類研究帕斯卡定律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)分析

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在研究帕斯卡定律時(shí)，顯示壓強(qiáng)大小的方法是通過(guò)壓力平衡，當(dāng)注射器的活塞在同一高度時(shí)，就表明注射器內(nèi)部氣體的壓強(qiáng)相等。顯然，當(dāng)不同注射器內(nèi)部活塞與筒壁之間的摩擦力不同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。還有一種顯示壓強(qiáng)的方法是通過(guò)軟管與容器中不同部位相連，根據(jù)軟管內(nèi)液柱的高度相同，來(lái)反映軟管與容器內(nèi)相連處的壓強(qiáng)相等，由于氣密性難以控制，也會(huì)出現(xiàn)誤差。為了準(zhǔn)確顯示壓強(qiáng)，注射器或軟管要呈豎直狀態(tài)，給組裝帶來(lái)難度。改進(jìn)的方向是使顯示壓強(qiáng)的裝置可以處于不豎直的位置，同時(shí)避免摩擦帶來(lái)的影響，使用壓力傳感器或氣壓傳感器就能避免上述問(wèn)題。根據(jù)以上分析，若將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入該實(shí)驗(yàn)，可對(duì)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)在改變輸入值時(shí)，可即時(shí)得出測(cè)量值，并能及時(shí)顯示不同位置的壓強(qiáng)值。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的可行性

在探究液體傳遞壓強(qiáng)規(guī)律時(shí)，先讓兩個(gè)注射器吸入適量的水，用盛滿水的軟管與針管相連，組成密閉液體的容器，使用一個(gè)壓力傳感器給其中一個(gè)注射器的連桿施加壓力，從而使活塞給液體施加一個(gè)壓強(qiáng)，為了測(cè)出另一個(gè)活塞在平衡狀態(tài)時(shí)受到的壓強(qiáng)，可以用另一個(gè)壓力傳感器壓住另一個(gè)注射器活塞上的連桿。在兩個(gè)連桿上施壓時(shí)，要保證活塞緩慢移動(dòng)。通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳給電腦。打開(kāi)電腦與操作界面，打開(kāi)“記錄表格”窗口，設(shè)置變量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2，軟件自動(dòng)記錄各個(gè)變量的大小，通過(guò)軟件制作出表格，就能直接比較兩個(gè)活塞上壓強(qiáng)的大小關(guān)系。

在探究氣體傳遞壓強(qiáng)規(guī)律時(shí)，可將四個(gè)氣壓傳感器的探頭密封在同一個(gè)注射器內(nèi)的不同位置，用手壓注射器活塞上的連桿，并改變壓力的大小，從而使加在密閉氣體上的壓強(qiáng)隨之變化，而四個(gè)氣壓傳感器便把注射器內(nèi)不同位置的氣壓大小傳遞給電腦，打開(kāi)電腦，打開(kāi)“組合圖線”窗口，點(diǎn)擊“添加”，設(shè)置X軸為時(shí)間，Y軸為壓強(qiáng)P1，繼續(xù)點(diǎn)擊“添加”，設(shè)置X軸為時(shí)間，Y軸分別為壓強(qiáng)P2、P3、P4。這時(shí)電腦軟件便能自動(dòng)畫(huà)出四個(gè)氣壓傳感器傳來(lái)的氣壓隨時(shí)間變化的圖像。通過(guò)圖像的比較，可得出同一時(shí)刻四個(gè)傳感器傳來(lái)的氣壓值是否相等。

無(wú)論對(duì)液體，還是對(duì)氣體來(lái)說(shuō)，在研究帕斯卡定律時(shí)，都可引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律是可行的。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

（一）用DIS系統(tǒng)研究加在密閉液體上的壓強(qiáng)的傳遞規(guī)律

1.實(shí)驗(yàn)裝置

裝有軟件的電腦1臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器1個(gè)、壓力傳感器2個(gè)、鐵架臺(tái)2個(gè)、橫桿1根、平板1塊、軟管1根、注射器2個(gè)、水、玻璃膠等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）在兩個(gè)鐵架臺(tái)之間固定一塊平板及一根橫桿。先將一個(gè)注射器的活塞推到底端，排除注射器內(nèi)的空氣，用注射器吸水，將軟管注滿水，注射器再吸入適量的水，將軟管的一端與注射器的針管相連。

（2）在左側(cè)橫桿上固定一個(gè)壓力傳感器，將拉鉤與注射器的拉桿上端相連，用玻璃膠將注射器豎直地固定在平板上。

（3）使第二個(gè)注射器吸入適量的水，針頭通過(guò)軟管（內(nèi)部已吸滿水）相連。手持第二個(gè)注射器在平板上移動(dòng)，使兩個(gè)注射器內(nèi)的液面等高，用玻璃膠將第二個(gè)注射器也豎直固定在平板上，如圖1所示。

（4）將實(shí)驗(yàn)裝置放于水平桌面上，連接好數(shù)據(jù)采集器、兩個(gè)傳感器，打開(kāi)電腦與操作界面，打開(kāi)“記錄表格”窗口，設(shè)置變量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2。并且設(shè)置S1=1.2，S2=1.34（根據(jù)注射器的容積與液體在注射器中的長(zhǎng)度計(jì)算得到），調(diào)零，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，手持第二個(gè)壓力傳感器與右側(cè)注射器上方的拉桿接觸，緩慢按下壓力傳感器（壓力記作F1），軟件記錄其他各個(gè)變量，如圖2所示。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地被液體向各個(gè)方向傳遞。

（二）用DIS系統(tǒng)研究加在密閉氣體的壓強(qiáng)的傳遞規(guī)律

1.實(shí)驗(yàn)裝置

裝有軟件的電腦1臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器1個(gè)、氣壓傳感器4個(gè)、鐵架臺(tái)、固定夾1個(gè)、注射器、電烙鐵、玻璃膠等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）在注射器側(cè)壁用電烙鐵燙三個(gè)小孔，取4個(gè)氣壓傳感器，將3個(gè)氣壓傳感器的連接軟管插入側(cè)壁的三個(gè)孔內(nèi)，另一個(gè)氣壓傳感器的連接軟管插入注射器下方針管的小孔內(nèi)，分別用玻璃膠密封好，將實(shí)驗(yàn)裝置固定在鐵架臺(tái)上，將4個(gè)氣壓傳感器分別與數(shù)據(jù)采集器相連，并接入電腦，如圖3所示。

（2）打開(kāi)電腦，打開(kāi)“組合圖線”窗口，點(diǎn)擊“添加”，設(shè)置X軸為時(shí)間，Y軸為壓強(qiáng)P1。

（3）再繼續(xù)點(diǎn)擊“添加”，設(shè)置X軸為時(shí)間，Y軸分別為壓強(qiáng)P2、P3、P4。

（4）調(diào)零，用手向下推注射器活塞，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，點(diǎn)擊“停止”，描繪出各處壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的四個(gè)圖像（如圖4所示）。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

加在密閉氣體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地被氣體向各個(gè)方向傳遞。

五、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的比較

從器材上看，用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律，要三個(gè)注射器和一個(gè)三通管組成密閉容器或者用一個(gè)帶活塞的容器，引出三根盛有同種液體的軟管。而用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律，最多只要兩個(gè)注射器，一根軟管。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的三個(gè)注射器或三根盛水的軟管必須呈豎直狀態(tài)，這樣固定裝置難度較大，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是用傳感器的，只要連接好即可。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律是通過(guò)改變加在注射器連桿上的鉤碼數(shù)來(lái)改變壓力，從而改變加在密閉容器上的壓強(qiáng)，這個(gè)改變范圍小，至多能得到三個(gè)輸入值，而用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)研究帕斯卡定律可通過(guò)壓力傳感器來(lái)不斷地改變壓力大小，從而改變加在密閉液體上的壓強(qiáng)大小，改變范圍大，可以得到無(wú)限個(gè)輸入值，在改變加在密閉氣體上的壓強(qiáng)時(shí)，通過(guò)手對(duì)連桿及活塞施加壓強(qiáng)，改變范圍大，可以連續(xù)改變，這樣輸入值也是無(wú)限個(gè)。用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律在改變壓強(qiáng)時(shí)，由于活塞或水柱具有慣性，達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)需要一段時(shí)間，壓強(qiáng)的大小是轉(zhuǎn)換成活塞或水柱的高度值來(lái)顯示的，而用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律，不存在慣性的問(wèn)題，軟件即時(shí)顯示壓強(qiáng)的大小。用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律無(wú)法得出壓強(qiáng)變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，更不能顯示壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的圖像。

六、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)具有更多優(yōu)勢(shì)

用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研究帕斯卡定律所用的器材減少了，組裝簡(jiǎn)單了，能即時(shí)顯示兩個(gè)或四個(gè)壓強(qiáng)值;利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究“帕斯卡定律”，具有省時(shí)、省力、即時(shí)、精確、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，它能實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以用數(shù)字化表格顯示，也可以通過(guò)圖像直觀動(dòng)態(tài)顯示，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)定性研究的不足。同時(shí)兩種實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有涉及學(xué)生測(cè)量，而且兩種實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力上差別不大，在學(xué)校條件許可的情況下，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)的研究帕斯卡定律實(shí)驗(yàn)之中，能有效提升教學(xué)效果。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具備的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不易覺(jué)察的細(xì)節(jié)，都會(huì)在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中反映出來(lái)。但采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，也有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不存在的缺點(diǎn)，如對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、測(cè)量能力沒(méi)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)好，同時(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器非常精確，裝置整體價(jià)格高，維護(hù)更加困難，對(duì)教師素養(yǎng)的要求更高，而且在進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)之前，教師必須做好更加充分的準(zhǔn)備。教師在教學(xué)中不能一味追求用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，才能使教學(xué)效果最佳。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

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（責(zé)任編輯 易志毅）