實驗數(shù)字化 數(shù)據(jù)可視化

摘 要：物理實驗數(shù)字化能夠顯化實驗原理，是改進(jìn)傳統(tǒng)物理實驗的重要方法。在傳感器與計算機(jī)的幫助下，對“測定直流電動機(jī)的效率”這一實驗進(jìn)行再改進(jìn)，解決了分組實驗產(chǎn)生較大誤差和學(xué)生對實驗原理理解不深的問題。

關(guān)鍵詞：DISLab；直流電動機(jī)；效率

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出：“演示實驗是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式，也是體驗性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)方式，教師要積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實驗方式，盡可能多地開發(fā)出可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實驗。”［1］自DISLab實驗系統(tǒng)誕生以來，物理實驗數(shù)字化已成為改進(jìn)傳統(tǒng)實驗的重要方法之一。部分傳統(tǒng)實驗受觀測儀器的限制，未能直觀、可視化地呈現(xiàn)所研究物理量之間的關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生對實驗原理理解不深，課堂學(xué)習(xí)體驗下降。若能對一些傳統(tǒng)實驗實現(xiàn)數(shù)字化，顯化實驗原理，則有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

2 “測定直流電動機(jī)的效率”實驗的已有方案及其不足

2.1 教材原版實驗

該實驗源自上海科學(xué)技術(shù)出版社出版的普通高中教科書《物理》高中二年級第一學(xué)期（試用本）第十章“磁場”D節(jié)“直流電動機(jī)”的內(nèi)容。教材中給出的實驗器材如圖1所示，并要求學(xué)生思考：①如何計算直流電動機(jī)的輸入功率、輸出功率？②如何得出直流電動機(jī)的效率表達(dá)式？③如何設(shè)計實驗電路圖？④實驗步驟以及實驗中應(yīng)測量哪些物理量？

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，讓學(xué)生親自動手參與實驗，幫助學(xué)生樹立有關(guān)能量守恒與轉(zhuǎn)化的觀念。能量轉(zhuǎn)化過程中，必然存在能量損失，這就涉及轉(zhuǎn)化效率。由電動機(jī)的工作原理可知，電動機(jī)的輸入能量為電能，輸入功率為P輸入＝UI，輸出能量為機(jī)械能，輸出功率為P輸出＝Fv，則其效率為η＝P輸出P輸入

＝FvUI。這里，需要考慮表達(dá)式中的物理量在現(xiàn)有儀器條件下是否可以測量。連接電路后，電壓U和電流I分別用電壓表、電流表測量；F應(yīng)為電動機(jī)牽引線的拉力，但傳統(tǒng)實驗器材無法直接精確測量，只能通過砝碼的重力代替；速度v可以由砝碼上升的高度和上升的時間來計算。因而電動機(jī)的效率可以表示為η＝P輸出P輸入＝FvUI＝mghtUI＝mghUIt。實驗中測量出重物質(zhì)量、重物上升高度、上升時間、電壓U和電流I，代入電動機(jī)的效率表達(dá)式即可得出直流電動機(jī)的效率。

2.2 教材原版實驗的曾改進(jìn)版本與不足

一些教師對教材原版實驗做了不同的改進(jìn)。例如，上海市青浦區(qū)第一中學(xué)的陳希老師曾利用DISLab改變傳統(tǒng)儀器測量方式，利用DIS提高電動機(jī)輸入電壓、電流的測量精度，利用位移傳感器測量直流電動機(jī)牽引速度，其方案主要解決的問題是提高實驗數(shù)據(jù)的測量精度。［2］上海市風(fēng)華中學(xué)的沈慧麗老師在陳老師的改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，解決了由于轉(zhuǎn)輪損失能量導(dǎo)致實驗誤差以及連接電路時間較長的問題。［3］沈老師的實驗方案與陳老師的方案的最大不同之處是利用光電門測量上升時間。然而，改進(jìn)后的實驗仍存在下列問題。

第一，實驗誤差較大。筆者在課堂分組實驗中發(fā)現(xiàn)，不同規(guī)格的電動機(jī)在實驗中測量的效率不同，即使采用相同的器材，各小組測量的效率也存在較大的差距。在課后與學(xué)生訪談過程中，筆者了解到多數(shù)學(xué)生也對實驗中電動機(jī)效率的差異過大表示不解。筆者在查詢相關(guān)資料后發(fā)現(xiàn)，直流電動機(jī)在不同扭矩和不同轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)下的效率不同。在學(xué)生分組實驗時，由于不同小組選擇的鉤碼質(zhì)量不同，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，測量結(jié)果也必然有所不同。

第二，實驗原理顯化不足。在課堂教學(xué)中，筆者先用“感受無人機(jī)的電動機(jī)工作時的發(fā)熱”作為情景引入，從能量轉(zhuǎn)化與守恒的角度引導(dǎo)學(xué)生得出電動機(jī)的輸入功率、輸出功率以及效率的表達(dá)式。然而，在學(xué)生分組實驗過程中，部分學(xué)生仍不清楚為何要測量這些物理量，說明這部分學(xué)生對實驗原理理解不夠透徹。在完成實驗進(jìn)行誤差分析時，筆者通過問題逐步引導(dǎo)學(xué)生思考什么情況下FvUI＝mghUIt才成立，即F＝mg，v＝ht成立的條件，學(xué)生才領(lǐng)悟到該表達(dá)式在鉤碼勻速上升時才成立。

3 “測定直流電動機(jī)的效率”實驗方案的再改進(jìn)

3.1 實驗電路圖與實驗裝置

改進(jìn)后的實驗電路圖和實驗裝置分別如圖2、3所示。其中，各傳感器的作用如下。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器：通過測量自帶轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過的弧長得出牽引物體的位移—時間（x-t）關(guān)系，進(jìn)而獲得速度—時間（v-t）關(guān)系圖像。

力傳感器：其測量掛鉤與細(xì)線相連，可獲取細(xì)線的張力隨時間的變化情況，細(xì)線繃緊狀態(tài)下測得直流電動機(jī)輸出牽引力隨時間變化（F-t）的關(guān)系圖像。

電流傳感器：測量直流電動機(jī)的輸入電流，可獲得電流—時間（I-t）關(guān)系圖像。

電壓傳感器：測量直流電動機(jī)的輸入電壓，可獲得電壓—時間（U-t）關(guān)系圖像。

相應(yīng)傳感器獲得圖像分別如圖4所示。

除此之外，還須說明的是：配重片可安裝在力傳感器上，從而改變直流電動機(jī)牽引力的大小；調(diào)節(jié)電源可改變直流電動機(jī)的輸入電壓，從而改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；由于力傳感器在實驗中是運(yùn)動的，且實驗中同時使用四個傳感器，有線傳輸數(shù)據(jù)會帶來實驗誤差與不便，所以本實驗使用的傳感器都為無線連接。

3.2 實驗操作步驟

第一步，安裝實驗裝置。連接電路，并使四個傳感器處于工作狀態(tài)。

第二步，傳感器調(diào)零。點擊DIS專用軟件界面下的“開始實驗”，將力傳感器取下并放置于桌面上，再點擊“調(diào)零”即完成四個傳感器的調(diào)零操作。

第三步，開始實驗。將力傳感器安裝完畢后，將電源電壓調(diào)至直流電動機(jī)的額定電壓，先點擊“記錄數(shù)據(jù)”，再閉合開關(guān)。此時軟件會實時顯示牽引力—時間圖像（F-t圖像）、速度—時間圖像（v-t圖像）、電壓-時間圖像（U-t圖像）和電流—時間圖像（I-t圖像），并計算得出效率—時間圖像（η-t圖像）。

第四步，結(jié)束實驗。在力傳感器到達(dá)頂部前斷開開關(guān)，使電動機(jī)停止工作，再點擊“停止記錄”。

將得到的實驗數(shù)據(jù)保存，改變配重或直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，多次實驗。完成后斷開開關(guān)，并關(guān)閉所有傳感器的開關(guān)。

4 實驗創(chuàng)新點

4.1 顯化實驗原理

傳感器測量的四個物理量（牽引力、速度、電壓、電流）與電動機(jī)效率的表達(dá)式（η＝P輸出P輸入＝FvUI）中的物理量一一對應(yīng)，并以圖像直觀呈現(xiàn)，效率—時間圖像通過軟件計算實時呈現(xiàn)。通過實驗裝置圖與實驗結(jié)果圖像，學(xué)生能快速建立物理模型，理解實驗原理。

4.2 數(shù)據(jù)可視化

第一，相同實驗器材誤差可視。教材原版實驗測量效率時要求鉤碼勻速上升，而鉤碼上升時的運(yùn)動情況大致為先加速、后勻速、最后減速到零（如圖5所示）。觀察發(fā)現(xiàn)這一過程中電動機(jī)的效率隨時間變化的圖像有類似的變化過程。教材原版實驗是將鉤碼的上升運(yùn)動粗略看作勻速直線運(yùn)動，而不同實驗小組很難做到運(yùn)動情況一致，尤其是加速和減速階段，若選取實驗中最接近勻速直線運(yùn)動的區(qū)間，實驗誤差則會較小。這也就解釋了為什么相同實驗器材完成該實驗時測量結(jié)果也存在一定差異。

第二，不同實驗器材誤差可視。筆者改進(jìn)的實驗方案中，控制牽引力不變，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速得到的實驗數(shù)據(jù)如圖6所示，可得不同轉(zhuǎn)速下，直流電動機(jī)的效率不同。提取多次實驗數(shù)據(jù)（如表1所示）可得：不同牽引力、不同轉(zhuǎn)速情況下，直流電動機(jī)的效率不同。該結(jié)論也符合電動機(jī)在不同扭矩、不同轉(zhuǎn)速情況下，其效率不同。

5 結(jié)束語

改進(jìn)實驗方案仍存在的實驗誤差：實驗時旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳感器的轉(zhuǎn)輪會造成電動機(jī)一部分輸出機(jī)械能的損失，進(jìn)而導(dǎo)致實驗測量的效率仍比實際效率偏低，有待后續(xù)改進(jìn)。實驗后教師可提出拓展問題，供學(xué)生繼續(xù)探究。例如：①傳統(tǒng)實驗測量的效率與改進(jìn)實驗測量的效率有什么區(qū)別？②如何解釋電動機(jī)在運(yùn)動狀態(tài)、牽引力、轉(zhuǎn)速不同時的效率不同？③電動汽車提升續(xù)航能力可以從哪些方面入手解決？

數(shù)字化改進(jìn)傳統(tǒng)實驗，既能降低實驗器材的安裝難度，也能利用數(shù)字化圖像直觀地顯化實驗原理。啟發(fā)學(xué)生探尋實驗現(xiàn)象背后的物理原理，而不僅僅是做實驗，更要懂實驗。物理作為以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，唯有情境下的物理規(guī)律探索，才能給學(xué)生帶來全方位的學(xué)習(xí)真體驗。以動手實驗提升學(xué)生的科學(xué)思維，帶動其物理觀念的提升，提高學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：76.

［2］陳希.利用DISLab對“測定直流電動機(jī)效率”實驗的改良［J］.物理教學(xué)，2009，31（8）：22-23.

［3］沈慧麗.用DIS測定直流電動機(jī)的效率（學(xué)生實驗）［J］.物理教學(xué)，2017，39（4）：26-27，25.