数字化物理实验系统

数字化物理实验系统（精选12篇）

数字化物理实验系统 篇1

1. 数字化物理实验系统教学

作为实验教学的一种典型的类型, 数字化的实验必须满足教学实验一般的要求, 教学实验是为了整个教学活动的服务, 其主要功能是教学, 在整个教学过程中的实验, 重要的不是某一个实验的某一个结果, 而是整个实验的教学的过程和整个教育的环节。既然要用数字化就应该设计一个合适的数字化的系统以满足整个实验室教学的主要的性能, 能够在数字化设计电路的时候充分得到加强。

数字化的实验系统的硬件是由传感器、采集器和计算机构成的。软件是对数据的采集进行控制, 还对采集的数据进行处理。数字化实验最大的特点就是对于数据采集的能力有充分的加强, 利用计算机准确地感受瞬间的变化, 检测到瞬时的数据, 也可以实时采集数据并以图像的形式表现出来。第二个特点就是能够灵活地处理数据, 通过计算机可以对实验进行控制, 也可以对大量的实验数据进行控制, 还可以进行快速处理, 这就允许学生在实验中尝试改变很多的条件, 比较试验的结果, 为学生创造科学探究和自主学习的环境, 培养学生个人的观察能力和实验的能力以及追求实事求是和勇于探究科学的态度。最后一个特点就是能够为互动式的教学创造可供学习的条件。实验室中的计算机联机以后, 能够即时实现数据的共享, 在老师的指导下对各个实验的结果进行比较, 从而进行开放性的学习。

2. 数字化物理实验系统设计的过程

在实验课上, 数字化的实验数据比较适合应用于整个实验过程比较复杂的项目中, 数据处理比较麻烦的实验和数据, 在设计的时候一定要注意实验的操作性能。设计数字化系统时, 想要达到的目标就是实现数据的采集和处理, 这些都是在幕后进行的, 这是实际的工作中可能带来的很大的便利。因此在设计实验时要将幕后的操作移到前台来。比方说, 需要进行物理量转换时, 最好自己输入公式;需要明显的物理凸显时, 自己选择尺度;需要进行数据拟合时, 最好由实验者根据实际的形状, 自己选择拟合公式。

在众多的实验中, 大多都是很容易学会的, 只有振荡电流这个实验是具有难度的。振荡电流实验的目的就是研究在整个电路产生电流的时候电压、电流之间相位的关系。这个实验需要通过软件慢速重放的功能来研究振荡电路的电压和电流之间的关系, 产生超低频的振荡放电过程。通过正弦函数等图像确定低压交流电源的输出是否有交流的电源, 研究这些电路最大的目的就是使整个数字电路完成得完美一些。

在设计系统实验时必须有鲜明的物理思想, 实验的设计要突出研究背后的问题、实验所依据的原理和研究问题所用的方法。实验的设计要充分展示所研究的物理过程, 有效地揭露物理过程的本质, 教学实验的设计还必须给学生提供一些充分发挥想象的空间, 有一定的可操作的实质性的因素在里面。

实验设计是一切实验完成的基础, 想要完成一个完美的实验, 必须进行设计。对于数字电路来说, 主要针对的对象就是教学, 数字电路是整个所要教授的电路中最麻烦的、最不容易教的, 因此需要教师在教授的时候加入一些自己的想法, 充分地调动课堂的积极性, 让每个学生都能够融入实验教学。

参考文献

[1]陈晓晓.数字化物理实验系统设计方法及教学[J].教学教育, 2009 (7) .

[2]韩小莹.数字化物理实验系统设计方法[J].系统设计, 2009 (4) .

[3]杜秀亮.刍议数字化物理实验系统教学[J].实验生活, 2011 (1) .

[4]梁春柳.试析数字化物理实验系统设计方法及教学[J].实验教学, 2012 (6) .

数字化物理实验系统 篇2

讲稿

（ALT+TAB进行PPT和软件之间的切换）

各位领导、各位专家、各位同行，下午好！很荣幸为大家介绍我校DIS数字化实验在物理教学中的应用，借此抛砖引玉，如有不当之处，还请多多指教！

一、介绍PPT第1页——第7页

二、介绍DIS的特点 1．实验过程“可视化”

实验过程可视化包括实验过程空间可视性和实验过程时间可视性。

物理实验中，空间上细微过程人眼难以观察，一般借助于显微镜可以实现细致的观察。时间上细微过程难以捕捉，难以记录，是物理实验的一个难点，瞬间变化的可视化尤其是难点。例如初中的路程和时间的关系，响度、频率、音色不同的声波图象特点；高中阶段的碰撞与缓冲、弹簧振子的运动，电容充、放电电流i-t关系等等，这类实验以往一般只能定性讲述，或者用多媒体软件进行模拟演示。

怎样突破这个难点呢？传统的实验仪器由于人眼观察与手工记录的断续性，确实难解决这个问题。数字化实验通过与计算机连接的传感器实时采集数据，记录数据，实现了时间上细微过程的实验过程数据自动记录，相当于用传感器和计算机代替人眼、手、纸和笔记录数据，实现了数据记录的时间连续性，实现了瞬间变化“可视化”。例如将传感器技术引入声波图象教学，就可以在很短的时间内清晰地记 录下各种响度、频率和音色的图像，同时组合到一张图片中，便于让学生直观地看到它们的特点。当然用传统的示波器也能研究声波的特点，实际教学中，往往有很多老师嫌麻烦，而用课件来展示，失去了物理实验的可信度。

（教师演示操作过程，注意“保存图象”是指在同一个图中重合多个对比图，“保存为”是将每一次的图保存为图

1、图

2、图3等，自动组合到实验报告中。）

2．数据采集“智能化”（1）表现之一是“自动化”

系统配置的软件可以设置采集器的各种参数，实现数据采集的自动化。功能强大的数据采集器可以自动把整个实验过程中物理量的变化完整的记录下来，存储在数据文件中。

（2）表现之二是“实时化”

由于采用计算机自动控制，系统能够在很短的时间内采集和处理大量的数据，同时将数据反映成图象，使实验结果更加直观。

（3）表现之三是“并行化”

数据采集器能同时接入四只相同的传感器或四个不同的传感器，能同时采集多个相同或不同种类的物理量，实现数据的同步并行采集。

实例：海波与石蜡的熔化实验：本实验极不容易成功，对管内外温度的控制要求较高；另外很难同时让两个实验共同进行；用常用温度计测出的数据误差也较大。所以我采用了数字化实验，使实验得到了很好的控制。（展示：海波实验的图片）3．数据处理“智能化”（1）“智能化”地进行实验重演

软件提供了回放功能，只要调用相应的实验模板和数据文件，就能够实现实验的重演，学生可以随意定格展示、随意缩放DIS实验图线。

（软件界面操作演示文件的保存、坐标的缩放）（2）“智能化”地进行数据拟合

软件不但提供了对数据求平均值、求最大值、求最小值的功能，而且提供了数据拟合功能，图线面积求法──积分运算功能，和自定义运算功能。

（软件演示）

（3）“智能化”地创建实验报告

软件可以创建各种文档，如实验指导文档、实验报告文档、数据处理结果文档等。

（软件演示）

三、DIS反思：

（一）优点： 1．教学内容广泛．

物理学中的力、热、声、光、电、磁等方面均有相应的探头进行相关实验，甚至化学、生物等学科均有相应的探头和软件。

（点击软件中的“初中物理”、“初中化学”等按钮，展示各个实验名称。）2．教学方式创新：增添了一种现代化实验教学手段。数据采集器已在实际的现代生产、生活中得到了广泛的应用。数据采集器在中学物理实验的应用，使学生能提早接触和熟悉数据采集器，适应时代要求。

3．教学效果显著

数字化实验设备的使用使原来不容易实现的实验或者无法定量分析的实验均能顺利完成，大大激发了学生的兴趣，活跃了课堂气氛，提高了教学效率。

4．教学真实性强

以传感器为主的数字化实验室仍以学生的真实实验为基础，很好地抓住了信息处理的三个重要环节（采集、处理和表达），从而有效实现了信息技术与理科学科实验的整合。

（二）缺点：

1．设计数据采集和处理软件时，没能完全了解中学理科教学实验的要求。系统只一味地突出现代化特点和数据处理的智能化。

2．传感器的精确度、采样率问题。

如距离传感器，它的原理都是基于测量超声波脉冲传播的时间，然后根据声速算出距离．据我所知，这里所用的超声波，波长都是厘米级的，那么分辨率应该不可能比厘米还小很多。曾设想用它来反映物体表面的微小形变，结果失败。

再比如：不少产品的最高采样率（每秒采集的数据个数）是1000个/s，以这样的采样率用声音传感器来记录一支频率384Hz的A调音叉的声音振动图线，就完全不可能了。

四、结束语

现在的数字化实验系统有这样强大的数据采集和处理能力，几乎可以完成中学理科教学中的大部分实验。但我个人认为，对一种新的技术，应该既看到它的长处，也看到它的不足；既要弄清楚它适合做什么，也要弄清楚它不适合做什么．例如做力的合成分解实验，力的大小用弹簧秤来测量就比用力的传感器来测量要方便且直观得多

又如稳恒电路中电流、电压的分布，而且只是采集少量的数据，也没有必要用电流、电压传感器来代替普通的指针式电表。

再如在中学这样一个基础教育的阶段，传统实验方法的训练对学生实验能力、科学素质的培养是必不可少的．尽管数字化实验系统有强大的数据处理功能，学生仍应首先学会设计实验图表，在图表中手工标定数据点，正确地作出实验图线。

数字化物理实验系统 篇3

关键词：数字化实验；沸腾；熔化；沸点；熔点

我校的数字化实验室已经建立了多年，通过一段时间的使用，总体来说，学生对它都是持肯定的态度，有的学生说数字化实验室的使用给学习带来了不少便利，也有的学生说不能充分体现中考的要求，有的考点尚不能完全落实。本学期我们初中物理组将学生分成了两大类，一类做数字化实验，一类做传统实验。现在我们将这次实验结果比较如下：

一、水的沸腾实验分析

1.传统实验探究水的沸腾

传统实验是按照教材进行操作，利用温度计来测量温度，用秒表来记录时间，看时间的同时还要准确读数，很难做到同时性，读完了数据还要记录在设计好的表格内，用数学画函数图象的方法根据表格数据描点、连线，而描出来的点并不具备连续性，使得误差加大。这种实验的优点在于学生既练习了温度计的使用，又练习了秒表的使用，而且符合中考要求，要求学生掌握的技能比较全面。

2.数字化探究水的沸腾

实验装置：数字化实验平台、温度传感器、大试管、酒精灯、铁架台、水。

实验步骤：（1）将温度传感器与电脑相连，打开工作室界面，设置传感器的频率为10次/分。（2）将温度传感器伸入热水中固定好传感器。（3）点燃酒精灯给水加热，当温度显示为90℃时开始记录，随着实验的进行，采集器把时间和温度的变化数据记录到电脑中，通过图表显示出来。

数据分析：由PLAB思迈数字化物理实验软件做出的图像图3很清楚地展示出温度的变化，通过上图，不难看出，水的温度从85℃到95℃之间是逐渐上升的，但也有发生变化的情况，而96℃后的温度比较平稳，却并不是一条直线。它真实地反映了实验中温度的具体变化过程，这些都在误差范围内。

二、晶体和非晶体的熔化

1.石蜡的熔化

石蜡是块状固体，要想让温度传感器与石蜡充分接触很不容易，我们特地将石蜡切成小块，然后将温度传感器深入石蜡并挤压使其紧密接触。而石蜡传热较慢，又不能用酒精灯直接加热，所以只有用水浴法进行加热。

本实验器材为：石蜡、水、酒精灯、烧杯、大试管、铁架台、温度传感器、PLAB实验平台。

实验步骤：（1）用酒精灯加热水大约90℃。

（2）将装有温度传感器的大试管轻轻放入烧杯的水中，充分接触。

（3）接好传感器，开始记录数据。随着实验的进行，采集器把时间和温度的变化数据记录到电脑中，通过图表显示出来。

数据分析：通过实验平台记录的数据，我们不难发现，从整体上看，石蜡在熔化过程中温度是逐渐升高的，虽然个别时刻温度在降低，却也完全符合实验事实。降低的原因主要体现在温度传感器与石蜡的结合紧密程度有关，空气流动状况也会影响到传感器的读数。正是因为传感器的精确度高，反应灵敏，我们才看到了石蜡熔化时的温度值。

2.海波的熔化

海波是物理化学实验中的理想药品，其熔化的温度不高也不低，十分适合实验室操作。海波是细颗粒状的晶体，方便温度传感器插入其中，达到充分接触的目的。而冰虽然是常见，但它是块状固体，传感器插不进去，而且在较低温度时就熔化了，不好掌握。

实验原理：任何物质，在温度升高时，物态也会发生变化。

主要实验方法：水浴法（使晶体均匀受热）。

实验器材：铁架台、酒精灯、石棉网、水、烧杯、试管、晶体（海波）、温度传感器、PLAB数字化实验平台、玻璃棒。

操作提示：（1）把装有海波的试管（高度约3cm）放在盛有热水（稍低于熔点，海波的熔点是48℃）的大烧杯里。试管内装有温度传感器，传感器设置为每分钟记录10次。

（2）当海波的温度接近熔点时，稍减慢加热速度。注意观察海波的变化：试管壁开始→海波逐渐熔化→温度基本保持在熔点左右→海波全部熔化后→温度持续上升。约超过熔点3℃时停止加热。

实验现象：（1）开始加热时，海波物态不变，电脑示数逐渐增大。（2）在一定的温度下（熔点）海波开始融化，熔化过程中吸热，但电脑示数基本保持不变，海波处于固液共存态。（3）当海波全部熔化完毕，继续加热，电脑示数再逐渐增高。

实验完成后停止加热，电脑也停止记录数据，把电脑处理好的数据进行分析，这在很大程度上避免了学生在采集数据时可能出现的失误，减少了学生采集實验数据不可用的情况的出现，同时也避免了很多不必要的误差，有利于学生对数据的分析以及结论的得出：海波的熔点大致在47℃左右。

从以上实验可以看出，PLAB实验设备不同于传统商业仪器，它在物理教学中有相当多的优势。

（1）实验过程更加简化，实验时间大大减少，实验效率明显提高。

（2）实验所得的实验数据与传统的实验方式相比要更加符合客观的规律，数字化实验设备这种由采集器、传感器、实验附件以及相应软件组成的实验系统，可以使学生更精确地采集数据。这在很大程度上避免了学生在采集数据时可能出现的失误，减少了学生采集实验数据不可用的情况的出现，同时也避免了很多不必要的误差，有利于学生对数据分析以及结论的得出。

（3）数字化实验设备不得不提的是它的可视化，学生第一次通过我的介绍，见到这种直观地通过数字、波形、仪表、柱状等多种形式显示出来的实验现象和数据时，好奇心很强。

（4）数字化实验设备能快速地处理实验数据，这相比传统的代入数据计算少了计算的过程。

我校数字化实验室的投入使用给我校师生带来了良好的教学效果，相信随着使用经验的累积，以及教师专业技能的提高，物理探究性实验教学的教学质量将会有进一步提高。

数字化物理实验系统 篇4

大容量光伏、储能设备接入电网后,将导致电力系统运行特性发生变化,这引起了电网规划、设计、生产、运行等部门的广泛关注。为了深入开展新能源接入电网后的动态特性等方面的研究工作,华北电网有限公司建设了光伏、储能物理实验系统,并与RTDS实时数字仿真系统一起闭环构成光伏、储能接入电网的物理数字混合仿真实验平台,开展“实际”的光伏电站接入“仿真”的电力系统后的特性研究。

物理数字混合仿真结合了物理模拟和数字仿真的优点,是仿真发展的新思路。文献[1]从系统稳定性的角度对物理、数字互联的混合仿真模型进行了理论分析;文献[2]对混合仿真在特高压交直流电网的应用进行了研究;文献[3]重点介绍了物理和数字仿真子系统边界条件的实现及联合仿真系统的搭建。文献[4]阐述了双馈变速风力发电机数模仿真中数字模型和控制系统的实现方案。但是从目前的研究来看,采用物理数字混合仿真的方式,研究新能源接入电网后新能源系统和大电网系统之间相互影响的文献还不多。

本文首先从物理和数学两个方面分析混合仿真原理,然后介绍系统的实现方案,并着重描述仿真系统的物理数字接口,即扰动器的原理和结构。最后,通过一个实际光伏电站接入仿真系统的实例验证本系统的正确性。

1 物理数字混合仿真的原理

电力系统中的物理仿真是将实际电力系统经过等值折算后采用实际元件对系统进行模拟,不需要确定设备的数学模型,但它存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等缺点。数字仿真用数学模型来研究电力系统的物理过程,该方法可实现大规模电网的仿真和计算,但仿真结果受模型、参数、算法的影响较大,建模的好坏直接影响结果的精度和可信度[5]。在新能源接入电网的仿真研究中,采用物理数字混合仿真能够兼顾上述2种仿真方法的优点。用物理装置模拟建模效果不理想或模型未知的元件,用数字仿真模拟大规模电力系统,在实际的仿真研究中取得了理想的效果。

从数学原理上看,数字仿真系统为时间离散的数学差分方程。它是从描述实际系统行为的微分—代数方程组出发,实时求解这组微分—代数方程;而物理仿真系统的行为也可以用一组微分—代数方程来描述。因此,物理仿真和数字仿真都再现了实际系统的行为,它们具有很好的统一性,统一到了描述系统行为的微分—代数方程组这个数学模型上。所以,如果能够为2个仿真子系统形成统一、协调的接口条件,那么完全可以利用物理方法和数字方法联合模拟一个真实系统。

从电路原理来看,物理和数字模型可相互把对方端口网络视为自己的一个元件支路。实现模型互联的关键在于如何使互联端口的电压变量和电流变量同时分别满足数字模型和物理模型的电路定理。依据替代定理:如果将电路的某一部分以单端口网络的形式从电路中取出,并且同时已知其端口电流或电压,则被取出的部分可以用相应的电流源或电压源来替代而并不改变电路其余部分的状态。因此,只要将一种模型的端口电流变量或电压变量取出,通过信号传递的方式在另一种模型中以动态刷新的电流源支路或电压源支路替代,混合模型就可由拓扑分离的物理模型和数字模型组合而成。

2 系统实现方案

2.1 系统介绍

光伏、储能物理数字混合仿真系统包括:单晶硅光伏阵列、储能电池及电池管理系统(简称BMS)、双向变流器、变压器、电网扰动器、RLC负载、光纤变送器[6]、RTDS实时仿真系统以及监控系统等。系统结构如图1所示。

图1中,电网扰动器[7,8]是整个混合仿真系统中物理部分和数字部分联系的纽带。通过扰动器的沟通,系统组成了实际的光伏、储能物理设备和数字的电网模型之间的互动平台。一方面对于光伏、储能系统来说,它的并网点电压受到RTDS所构建的虚拟大电网的控制。这就模拟了光伏电站接入电网后,其外特性随着电网特性的变化而变化;另一方面对于RTDS实时数字仿真系统来说,它的运行状况会受到实际光伏、储能系统的电气外特性的影响。这就模拟了在大规模新能源接入电网后电力系统运行特征的变化[9,10,11,12]。

扰动器还是模拟电网系统故障的执行机构。它除了可进行电压波动、频率波动、三相不对称、电压跌落等系统扰动及保护特性实验外,还能跟踪RTDS实时数字仿真系统输出的电压指令信号,改变双向变流器交流侧电压、频率等,实现系统闭环测试。

光纤变送器是电气量小信号远距离传输的数据传输设备。由于RTDS和扰动器的电气量接口信号均为±5 V,在远距离传输过程中不可避免地会受到干扰和衰减,这将会降低信号的准确度,影响实验效果。而且电气量远距离传输还有可能引入暂态高压,损坏实验设备。光纤变送器在本端将电气量进行模数采样后,通过光纤通信将数字化的采样信号传输到远端,然后再在远端的光纤变送器上进行数模转换,还原出电气量信号。采用这种方法,光纤变送器实现了在仿真系统闭环实验中信号的实时、准确地传递。

光纤变送器原理如图2所示。

光纤变送器具有如下特点:信号传输精度高,可达0.2级;信号传输延迟小,小于0.3 ms;信号传输稳定、可靠,不受电磁干扰影响。

BMS为电池的集中管理部分,它主要由BMS监控系统、电池温度控制模块、电池参数检测模块、充/放电控制模块和电池均衡控制模块组成,结构图如图3所示。

BMS监控系统往下通过CAN通信网络与其他模块进行通信,根据得到的数据计算电池荷电状态(SOC),分析电池工作状态,分级报警以及对电池进行相应的控制。BMS监控系统往上通过以太网与整个系统的监控系统相连,一方面将BMS的运行数据传递给监控系统,另一方面接收监控系统下发的用户控制命令和协调控制的控制信号。电池参数检测模块实时检测各个电池的电流、电压和温度等参数。充/放电控制模块通过对电池的充/放电过程进行控制,避免电池过充或者过放。电池均衡控制模块对电池的充/放电过充进行均衡控制,避免产生因电池容量不均衡而造成的电池损坏。

双向变流器是系统的交、直流连接的核心部分。当光伏、储能系统向电网系统发电时,双向变流器将直流侧的电能转变为交流电,通过变压器升压后送给电网;当电池储能系统需要从电网侧系统充电时,双向变流器又将电网侧的交流电转变为直流电给蓄电池充电。

双向变流器的控制电路由DSP板、控制板、采集板和驱动板构成。控制板将采集板采集的电流、电压信号送给DSP板,DSP板对输入数据进行运算处理后,一方面将控制脉冲通过驱动板提供给IGBT,实现并网时功率因数为1;另一方面进行最大功率跟踪(MPPT)控制,使直流系统始终工作在最大功率点处。

监控系统除了能够实时监控整个系统中各个设备的运行情况外,它还是系统发电协调控制的管理机构。监控系统实时采集BMS和变流器的运行数据,控制电池的充放电和双向变流器的输出功率,达到光伏、储能协调控制的目的。

光伏、储能物理数字混合仿真系统的主要运行模式如下。

1)光伏发电模式:

光伏阵列单独通过双向变流器并网发电。

2)储能充放电模式:

在BMS的控制下,光伏阵列对蓄电池组进行充电,或者通过双向变流器使用网侧电源给蓄电池充放电。在实验过程中可以模拟蓄电池组的各种运行工况,如正常充—放电、欠充—过放、过充电特性等。

3)光伏、储能系统接入电网后性能测试模式:

将实际的光伏、储能系统接入RTDS模拟的数字电网中,通过扰动器产生各种电网故障,以此来研究光伏、储能系统和电网之间的相互影响。

4)光伏、储能联合发电模式:

在系统要求的出力曲线的约束下,光伏、储能联合向系统中输送电能。其中,光伏阵列根据天气情况尽量满发,监控系统对双向变流器和BMS进行统一协调控制,通过蓄电池组的充放电对发电总功率进行调节。

2.2 以扰动器为核心的物理和数字仿真接口

物理数字混合仿真系统中的物理系统、数字仿真系统各自独立运行,通过扰动器的联系实现数字系统、物理系统之间的电压同步和电流反馈。扰动器实时跟踪RTDS的输出电压,将RTDS输出的±5 V电压波动放大为380 V的电压波动,然后接入物理系统来模拟电力系统故障。扰动器的原理如图4所示。

如图4所示,电网侧输入的三相电源通过变压器、输入电感向功率单元提供工作电源。功率单元在控制脉冲的作用下完成四象限的功率交换并输出不同的电压波形。

为了减少输入电流中的谐波、提高功率因数,变压器采用相位彼此差开相等电角度的多副边结构,每一组副边接一个基本功率单元,这样构成多级移相叠加的整流方式,大大改善网侧的电流波形,提高网侧的功率因数,无需任何功率因数补偿及谐波抑制装置便可将负载下的网侧的功率因数提高到0.95以上。

扰动器输出的每一相可以由若干个基本功率单元串联组成,实现了更高电压输出。第一个功率单元的一个输出端连接在一起形成星形连接点,另一个输出端则与下一级功率单元的输出端相连,依此方式,将同一相的所有功率单元串联在一起,便形成了一个星形连接的三相电源。串联的单元数越多,输出的电压越高。对于本仿真系统来说,由于只需要380 V电压输出,因此不需要将功率单元多级串联。

功率单元是组成扰动器的最小单位,它由四象限整流器、逆变器和功率单元控制板等部分构成。其主回路如图5所示。

如图5所示,功率单元的基本拓扑为交—直—交三相整流/单相逆变电路。功率单元的整流电路将变压器副边绕组提供的三相交流电源整流为脉动的直流电源,经过大容量的电容滤波后,可以得到稳定的直流电源。然后通过对IGBT组成的逆变桥进行正弦调制的PWM控制,可得到等效正弦的单相交流输出。其中,功率单元控制板是功率单元的核心部件,它通过跟踪数字仿真节点的输出电压波形来发出不同的IGBT触发脉冲,由此得到不同的输出电压波形。

电网扰动器每个功率单元均采用模块化设计,在结构和电气性能上完全一致,可以通用互换。

3 仿真试验流程

物理数字混合仿真实验流程按如下步骤进行。

1)等值简化电网。

对原始电网进行动态等值化简,将各个电气元件用相应的数字模型代替,并使化简后的电网规模与实时仿真实验系统的模拟规模相适应。

2)搭建混合仿真模型。

按照等值后的网架结构和仿真要求搭建物理数字混合仿真系统模型。

3)确定系统模数比。

数模混合仿真实验时,在仿真系统上建立的系统模型所采用的电流、电压值不能超过模拟设备的最大允许值,必须按比例缩小,这种模拟系统的参量和实际系统的参量之间的比值叫做模数比。模数比主要根据以下因素确定:①模拟系统的输入、输出通过系统模数比的转换后尽可能符合现场情况。②选择合适的模数比使得建立模拟系统所用的模拟设备和元件最少。③流过模拟装置的最大电流不能超过元件最大允许值。④为保证模拟系统的精度,稳态运行时流过模拟系统的电流也不宜过低(一般不低于1 mA),否则潮流较小的线路或支路的模拟精度就难以保证。⑤充分利用功率放大器的输出功率并留有一定裕度。

4)校验系统误差。

在搭建好的模型上建立系统稳态潮流,与离线程序的稳态潮流进行比较,校验误差。

5)开始仿真实验。

经过稳定特性校验后再进行相关的仿真实验研究。

如果仿真结果不正确,则重新开始仿真流程,逐步检查、修正各个仿真环节,直到输出正确的仿真结果。仿真流程如图6所示。

4 实际光伏电站接入仿真电力系统实例

下面通过模拟某光伏系统接入电网后实际发生的一次电网故障来验证本混合仿真系统的正确性。

某地区220 kV电网2012年结构和潮流如图7所示。其中地区负荷为740 MW,通过2台变压器向500 kV电网送电993 MW。地区包括2个发电厂,电厂A容量为2×330 MW,电厂B容量为2×300 MW。

在图7所示的光伏并网点处接入光伏发电系统,光伏并网点故障时向电网输送的潮流约40 MW。故障情况为:万张二线(万全—张北)万全侧发生单相瞬时故障,0.1 s后线路两端故障相断开,1.0 s后重合成功。其中,光伏并网点220 kV系统三相短路电流为6.9 kA,故障点接地电阻为40 Ω。

在本次仿真研究中,光伏、储能系统和扰动器为实际的物理设备,电力系统大电网采用RTDS数字模型模拟,仿真系统结构如图8所示。

如图8所示,将数字系统中光伏并网点的三相电压通过光纤变送器转换为±5 V电压信号,传送到电网扰动器作为电压控制信号,电网扰动器实时跟踪信号变化,改变光伏、储能系统输出端的380 V三相输出电压。同时,扰动器将光伏、储能系统输出的三相电流转换为±5 V弱电信号通过光纤变送器传送回RTDS,作为数字电力系统中光伏并网点的注入电流。这样,实际的光伏电站和仿真的电力系统构成了一个闭环的测试系统。根据上文中第3节的方法,并综合考虑各种因数,确定仿真系统中的物理模型出力的数模比为1∶20 000。

实验结果如图9—图14所示。

从图9到图14可以看出,故障瞬间光伏系统的输出功率变化很大,并网点的电压也有一个较大的跌落。故障后,在励磁系统的作用下,发电厂的电压、有功、无功经过大约4 s后恢复正常出力。

通过将实验结果和现场的实际录波结果进行对比,情况完全一致,从而证明了本仿真系统的正确性。

实际录波结果如附录A中所示。

5 结语

光伏、储能物理数字混合仿真实验平台的特点在于RTDS仿真系统与实际实验设备构成了闭环测试系统,它的应用前景非常广阔。首先,本系统建设了具有大电网接入背景的物理实验系统,优于常规接入无穷大系统的动模系统,可以在实际电网环境下研究新能源的运行特性。其次,本系统可以完成现场不方便进行的大小扰动实验,开展新能源仿真建模。再次,本系统可以研究大规模新能源接入电网后整个电力系统的动态特性,既包括电网异常工况对新能源运行的影响,也包括新能源外特性对电网的影响。该系统的建成为进一步开展新能源接入电网后的特性研究打下了基础。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：分析了物理数字混合仿真的原理,介绍了一种由光伏阵列、储能电池和RTDS实时数字仿真系统等设备共同组成的仿真实验平台。将实际的光伏电站特征信息接入数字仿真系统,研究光伏电站接入电网后系统稳定特性的变化。对混合仿真系统中物理数字接口进行了详细说明,提出了混合仿真实验的流程,通过实例验证了方案的正确性。

关键词：混合仿真,光伏阵列,储能,扰动器,实时数字仿真系统,闭环测试

参考文献

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数字化物理实验系统 篇5

天津市红桥区五爱道风光里55号红桥教育中心 孙鸿毅

摘要：随着国家新一轮课程教材改革的推进，数字化实验室进入课堂，打造出信息技术与物理教学整合的新型教学模式。数字化实验以传感器和计算机为基础，结合传统的实验仪器，将实验数据采集之后用计算机进行分析处理，通过数据图表和图象展示现象、揭示规律。从2005年10月起我们将传感器引入高中物理教学，经过一年的探索，分别在力、热、电三方面选取典型课例进行了实践。本文试从教研员的角度，就引领老师们进行实践课例的探索，提出数字化实验室应用的方式、效果和值得注意的问题，以与同行切磋和研讨。

关键词：传感器 探究教学 教师水平学生能力

一、问题的提出

随着全球信息化的飞速发展，加速推进了我国教育现代化的步伐，教育的信息化是教育现代化的重要特征之一。《基础教育课程改革纲要（试行）》指出：“大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式，学生的学习方式，教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。”

2004年11月在湖南召开的全国第六届物理青年教师教学大赛上，上海和深圳选手将数字化实验室引入比赛现场，让我第一次看到数字化实验的方式和效果，亲身感受了信息技术与物理教学整合的新型教学模式。关注、引领物理教学的前沿是教研员的责任，2005年3月起，在我区教研活动中用录象课、请传感器公司来人示范等方式广泛宣传数字化实验，进一步激发了老师们实验的热情。从2005年10月起引领老师们将传感器应用于高中物理教学的教改实验中。

二、对数字化实验设备和结果的简介（如图1）

1．传感器：数字化实验的核心部件。“感”将物理量转化成电信号；“传”将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中是一个位移传感器。

2．数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机，可以说是传感器与计算机连接的转换器。

3．实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、开关、线圈、磁铁等。

4．计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。

5．实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象，物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。

由此可知，数字化实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。

三、应用数字化实验典型课例分析

1．在力学中选取课例是《摩擦力》。

《摩擦力》是高中物理最重要的概念之一，新课程标准对本节的要求之一是通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的规律，并能用动摩擦因数计算摩擦力。实验原理是让木块匀速运动，应用二力平衡的知识用拉力来反映摩擦力。

传统教学中采用图2的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木块，学生通过观察木块从不动到运动的过程中弹簧秤示数的变化，来认识摩擦力。但由于仪器较粗糙，数据的变化不易看得很清楚，本实验大多情况下作为了一种模糊的定性研究。用传感器参与本实验，实验原理不变。但图2中的弹簧称换为力传感器效果也不好。于是我们想到用图3的装置，将力传感器固定，感知力的一端通过一段弹性不大的细绳与木块连接做本实验，这样木块始终与地保持相对静止。拉动木板，在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势，木块与木板间有静摩擦力，木板运动起来，木块与木板有滑动摩擦力，由于木块始终相对静止，因此各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力。实验数据传入计算机，木块抽动过程中拉力的变化以图4中的红线形式展示。这样木块由不动到运动中摩擦力的变化就通过拉力变化的图线清楚的呈现给学生。

对图象做进一步分析看出图中的①表明木块还未受到拉力时完全静止的一个过程，木块受拉力为零，因此摩擦力为零。图中②体现木块与木板相对静止时在不动到滑动的过程中静摩擦力随拉力的增大而增大，图中③是物体动与不动的分界点，此时的摩擦力是最大静摩擦力，图中④体现的是物体的运动过程，图中清楚显示滑动摩擦力小于最大静摩擦力，且在运动中保持一个定值。所以通过图4的完整图线很好的反映了学生认识摩擦力的第一个层次──感知摩擦力。

第二层次是在此基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩擦力的影响。图5对应的是木块放在毛玻璃表面，图6是木块放在包装纸的表面。两图表格中的“平均”显示的是在毛玻璃表面分别施加三个压力和在包装纸表面分别施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，也就反映了各次滑动摩擦力的大小。测量木块重1．5N，在木块上依次加250 g砝码，使正压力依次为1．5 N，4 N，6．5 N。再将得到的数据用Excel处理得到的如图7的图、表，这样处理本实验既分析出滑动摩擦力与正压力间的正比例关系，又知道这个比例系数由接触面的粗糙程度决定，更可以算出相应的动摩擦因数，且控制变量法也一目了然。

由以上分析可以看出，传感器的介入提升了实验数据分析的层次。图象的展示进一步培养了学生的观察能力和分析能力，让教师无须语言的赘述，学生对摩擦力的认识通过理性的数学分析得出，使学生认知水平得到提升，将教学内容由过去的粗糙丰富为严谨、科学。本课作为我区传感器进课堂的公开课2006年11月间在全区展示。

2．在电学中选取课例是《楞次定律》的习题课。

《楞次定律》是电磁学的重点和难点。图8是现用高二必修加选修第211页A组第2题（该题和图同时是选修3-2第31页的第2题），题目是若条形磁铁下无闭合线圈，磁铁会振动较长的时间才停下来，若条形磁铁下有闭合线圈，磁铁振动会较快的停下来，要求解释此现象。

我们将本题开发成实验，作为《楞次定律》一节中的一个理解楞次定律电流方向的判定和能量转化的实验出现。将图8按照图9组装，可以得出图10的图象。从图中清楚的显示出随时间的延长，线圈中感应电流在衰减，并对感应电流的方向有了明确的认识。图10还可以进一步应用到这一章的“涡流”一节，使学生对“电磁阻尼”的理解困难迎刃而解。

本实验曾引起了学生的极大兴趣，学生们自己组装实验，并从实验开始就认真盯着大屏幕逐渐显示出的图象，当磁铁停止振动后都很认真的读着数据，热烈地讨论图象的物理意义，对楞次定律有了更进一步的理解。电流传感器在本节课的应用可以捕捉到瞬间感应电流的大小和方向。本节课参加2006年7月在深圳召开的第四届“全国中小学信息技术创新与实践活动”评比，获得一等奖。

3．在热学中选取课例是《内能的改变 热量》。

图11展示的是用热传感器反映气体内能变化的实验。实验的主要器材是一根被改制的自行车内胎，即用紧箍和一段玻璃管与车胎组成密闭容器，将温度传感器伸入到玻璃管中，以便学生能够观察到传感器。图12是得到的数据图，当用手握住玻璃管部分，由于热量的传递，管内温度升高通过气体传给传感器，图线中①反映了这一过程，图线中②反映移开手后的降温过程，图中①、②共同反映了热传递改变内能的过程。而图中③部分是对车胎放气显出的温度变化，④是放气过程结束，温度向室温恢复。当用打气筒给车胎打气，图中⑤明显反映了对气体做功引起物体内能增大，温度升高。这样不易感知的温度变化通过图线带给学生深刻的感受。

四、对数字化实验进入物理教学的思考

1．转化教师观念，正确理解信息技术与物理学科整合的内涵。

实验是物理学的基础，每一个物理概念和规律都是建立在相应的实验基础上。传统的物理实验教学中由于仪器的落后以及实验条件的限制，很多物理实验只能做定性分析，教师让学生观察实验现象，启发学生对现象进行推理、分析最后得出正确的结论。虽然推理是物理研究的重要方法之一，有利于培养学生的分析推理能力，但教学中大量使用不仅会让老师的动手能力下降，学生更看不到真实的实验，难以真正理解物理的学习实质。而数字化实验使教师认识到，教育的信息化不是简单的把课堂搬个家，而是通过信息技术手段，使教育资源配置更优化，教学过程更高效。信息技术不是作为辅助教师教学的演示工具，而是要实现信息技术与学科教学的“融合”，要培养学生学会把信息技术作为获取信息、探索问题、协作讨论、解决问题和构建知识的认知工具。

2．巩固物理实验的地位，促进教师的实验能力和分析水平的提升，让教研落到实处。

传感器只是一个传递信号的仪器，图像也只是一个图片，但教师要设计实验、引领学生认识图象，挖掘图象的含义，这就为教师发挥自己的能力提供了广阔的平台。同时数字化实验也为教研活动开辟了新的道路。

在准备《摩擦力》一节时，我和参与教师都表现出极大的兴趣，一遍又一遍在不同的接触面上做实验，最后确定了接触面分别用毛玻璃和一种包装纸。会后引进传感器的学校高一年级教师都用这种方法讲授了这一节，完成了新课标的要求，也在学生中引起极大的兴趣，无形中提高了物理教学的实效性。

用热传感器反映气体内能变化的实验仪器，最初是传感器公司提供给我们的。但当授课教师通过《内能的改变 热量》一节展示出来的时候，教师们的惊奇和赞叹表露无疑。课后上交的评课记录上老师们都很深刻的写下了对数字化实验的认识，青年教师更写出了愿意多参加并参与到这样的活动中来提高自己实验和分析能力的愿望。

3．深化探究教学，着眼于科学方法的教育，培养学生研究问题的科学习惯。

新课程理念之一是“注重科学探究，提倡学习方式多样化”。从《摩擦力》一节分析可知，对物理概念的建立，物理规律的形成过程需要学生揣摩的实验，引入传感器会收到事半功倍的作用。同时引入传感器可以开发课本资源，变课本习题为实验，深入挖掘习题蕴涵的道理，可以改进原来做不出的实验。这样又为物理学科的研究性学习提供了内容。

传感器的引入更强化了用数学分析物理问题的意识，让物理实验具有更高的真实性，让学生对科学方法有了亲身体验。物理学的发展离不开数学，学好高中物理更离不开数学。爱因斯坦说过，数学给予精密的自然科学以某种程度的可靠性，没有数学，那些学科是达不到那么高的可靠性的。图象的充分利用是强化数学在物理教学中的作用的一个重要体现。如上面所述，温度给人们的感觉一直是亲身体验的冷热程度，而应用传感器，使学生学习到另一种感知事物的方式，那就是真实的数据同样会令人有身临其境的体验。久而久之会让学生养成一种研究问题通过“现象──实验──数据”的科学习惯。

4．唤起学生的问题意识，教会学生思维，大大提高科学探究过程的实效。

探究式教学是以探索、研究物理规律为出发点，以实验活动为中心，以学生的可持续发展探究能力的培养为根本的一种教学方法。探究式教学强调“猜想—验证—归纳”的科学探究过程。普通实验的定性研究和引入传感器的定量研究相结合，教师通过对比，使学生做有知的猜测，可以鼓励学生积极参与，唤起学生对问题解决过程的认识，有助于开发学生的学习潜力，并教会他应对某一具体情况下可能需要的知识。实验证明，学生比教师接受数字化实验更快。《摩擦力》教学中学生对图5中物块从要动到运动之间不规则变化的曲线提出了疑问，在教师的引导下认识到这是由于板在拉动中细绳抖动造成的不稳定。

5．突出教师的主导地位，尊重学生的个体差异，让每一位学生都体验不同程度的成功，并能在同伴互助中取得更大的进步。

传感器引入物理教学，更利于教师主导地位的体现。教师只要教会学生处理数据的方法，再遇到类似问题，只要做到点拨和指导，让学生在研究和归纳的过程中感性地理解物理变化及其规律，这样学生最终不仅可以更深入地理解物理学的现象，而且可以学会物理学的一种精神，即独立思考、大胆假设和严谨探索实验的科学精神。

一幅图摆在学生面前，不同程度的学生会有不同的理解，但只要看出相关的问题，教师就可以给予肯定，尽可能调动学生的积极性；在同学们对解决问题的讨论中切磋，懂得互助，学会合作。

6．新仪器是时代进步的产物，推动教师脚踏实地的研究它，同时促进自己应对课堂的综合能力的再提高。

现代技术的不断提高，给教师带了机遇和挑战，教师要在新课程中体现自身的价值就必须再学习，必须接受新仪器，新手段。学会对传统实验进行“再挖掘”，为开发其潜在的教育和教学功能作好充分的研究。

新技术的使用不是花架子，它的使用丰富了传统的实验，在科学的基础上使实验有新的发展，并且丰富了学生的视野、开阔了他们的思路。但新技术的使用，对于刚刚接触这种研究手段的学生来说，理解起来会有困难，因此教师应该注重引导，循序渐进，对新仪器以及使用新仪器采集到的相关信息进行及时解释。

值得注意的是，越在以现代技术手段为支撑的教学活动中，协调好师、生与媒体三者之间的关系越显得尤为关键。由于媒体的影响，学生的注意力极有可能从教学活动中游离出来，从而影响教学，因此必须加强对学生活动的引导与控制，做到收放自如，使教学活而不乱。

综上所述我们感到，课程改革是随着社会发展、时代进步的必然进程，课程改革促进了教师再发展。新的教学模式需要教师的探索，新仪器需要教师的研究，只有教师将自己的思想与教学行为提升到与时代同步，才能带动学生的发展，才能让中学阶段培养学生的实践精神和创新意识得到发生和发展。数字化实验仪器的使用让学生的思维达到了更高的层次，数字化实验在我区仅仅是个开始，今后我们会继续将融入信息技术的探究课堂深入研究下去，以期得到更好的课堂改革经验，在课堂教学的实效性上的到更好的成果。

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2．廖伯琴 张大昌．《普通高中物理课程标准（实验）解读》．湖北教育出版社

基于数字化实验系统的物理实验拓展的研究山东省邹平县第一中学

李进 摘要：从实验仪器、实验原理、实验目的三个角度论述运用数字化实验系统对物理实验进行拓展，提出从多个角度对物理实验进行拓展研究是探索数字化实验系统与物理课程整合的有效途径之一。

关键词：数字化实验系统 物理实验 物理实验拓展

实验是物理教学的重要内容和手段，是培养学生科学素养，提高学生能力的有效途径。信息化21世纪的标志，是当今世界经济和社会发展的大趋势，以网络技术和多媒体技术为核心的信息技术已成为拓展人类思维的创造性工具。在基础物理教学领域，信息技术与物理课程整合日益成为人们关注的热点，并取得了丰富的理论与实践成果。

一、问题的提出

1．信息技术与物理课程的整合的意义

信息技术与课程整合的内涵要求运用信息技术作为工具，使课程内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生的互动方式实现全新的变革，促进教学过程中的各个要素和环节实现全面优化。目前，信息技术与物理课程整合的方式主要有三种：以传感器的方式进入物理教学的实验领域；以仿真模拟的方式进入物理教学的思维领域；以网络通信的方式进入物理教学的交流沟通领域。将信息技术有效融合于物理教学过程来营造一种新型的教学环境，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的教与学的方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使学生的创新精神和实践能力的培养真正落到实处。

2．数字化实验系统与物理课程整合的优势

数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图像处理系统，实现了实验手段数

[3]

[2]

[1]字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合，在延续传统的同时超越传统。

3．新课程对数字化实验的要求

我国新一轮中学理科课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。2003年新公布的《普通高中物理课程标准(实验)》对信息技术与物理课程整合提出：信息技术要进入物理实验室，即重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等。[4]高中物理新教材中的一些演示实验和“做一做”等栏目也出现了数字化实验系统应用的案例。基于传感器和计算机技术的数字化实验系统为实现学习方式的多样化，引导学生的自主探索研究，进行广泛的体验、合作和交流提供了时间和空间，DISLab曾被乔际平教授誉为“科学分配教育时空的新探索”。

[5]

二、基于数字化实验系统的物理实验的拓展

数字化实验系统提供了一个新的实验探究平台，使学生能从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的简单劳动中解脱出来，从而有足够的时间对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究。同时，我们要认识到数字化实验系统与物理课程的有效整合需要先进的教育思想，它的合理应用本身就要求同时变革传统教育观念、教育思想与教育模式，代之以尊重人的主动性、首创性、反思性、合作性的全新的教育观念、教育思想与教育模式。笔者认为，数字化实验系统的优越性的充分发挥应基于新的实验教学理念，物理课堂是物理教学的主阵地，任何教学方式的改进都应该首先能够服务于课堂教学。从多个角度对原有实验进行拓展研究，是一个重要的研究方向。

1．实验仪器的拓展

实验仪器是物理实验的物质载体，实验仪器的有无、数量的多少、性能的优劣直接影响实验效果，影响课堂教学质量。数字化实验系统将实验数据数字化，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合。尽管用传感器代替了部分测量仪表，但并没有脱离传统的实验装置，而是借助其实验优势填补了传统实验中诸如微小量测量、暂态量测量等多个测量空白，这预示着它具有很强的拓展性。

⑴数字化实验系统与传统仪器的整合传统的物理实验是学生获取物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料，是培养学生基本实验技能的途径。数字化实验在延续传统的同时超越传统，是传统实验的拓展和延伸。数字化实验与传统实验的整合应能够服务于学科教学，适应学生的认知水平，以发挥最优化的教学效果。

[6]

教学活动中，我们可以使传统实验仪器与DIS实验系统相互配合，发挥各自优势。例如在“自感现象”的教学中，几十年来都在使用一种成品教板，由实验电路图1和图2分别演示通电自感和断电自感。用灯泡演示自感现象不能确切反映电流和电压变化的过程，电流较小时灯泡不能发光。灯泡无极性，不能显示电流的方向。另外，实验器材规格匹配性不好，实验现象的可见度低等缺点也会使实验效果不理想。数字化实验系统用传感器采集电流、电压，能实时保持实验数据并显示稳定的图像，有效克服了上述缺憾。笔者根据图3所示的电路，用两个电压传感器分别测量两个支路的电压，获得了图4所示的图像，图像清晰显示了通电自感和断电自感过程中两支路电压的变化。我们还可以在支路中接入电流传感器，分析电流的变化情况。这样，我们在教学活动中可以先通过传统实验仪器引导学生观察现象，获得感性认识，激发探究欲望，然后借助数字化实验系统深入探究自感现象的特点和规律。

另外，我们可以将传感器与传统实验装置进行组合，借助原有实验装置的结构原理，发挥数字化实验的优势。例如在探究弹簧振子的运动规律时，可引导学生对弹簧振子的物理模型进行拓展，分析水平方向单弹簧振子、水平方向双弹簧振子及竖直方向的弹簧振子等。研究水平方向弹簧振子的运动可用气垫导轨（或轨道小车），将气垫导轨的滑块（或小车）上固定位移传感器的发射器作为振子，振动过程中轨道小车的阻尼振动较气垫导轨的滑块更加明显。研究竖直方向弹簧振子的运动时，可直接将位移传感器的发射器作为振子。这样的实验数据依然来自传统的实验装置，只是数据采集和分析处理的手段借助数字化实验系统得到显著改观。

⑵数字化实验系统与“非常规”物理实验的整合

“非常规”物理实验，是指选择利用环境中“非专门化”的物质手段，不按固定方法或形式，人为控制条件、有目的实施的观察与探索物理规律的实验教学活动。在资源利用上，“非常规”物理实验是直接利用环境中“本来用途不是用来开展实验”的物质资源，包括生活易得物品、材料、器具、人体自身、交通工具、建筑设施、娱乐器材等，同时包括利用研发自制的实验器具。采用“非常规”物理实验开展教学活动能够采取灵活、简便的方法与形式，使实验过程体现自创性、体验性、趣味性、简易性与生活化。

笔者在教学实践中尝试开发“非常规”物理实验的教育教学功能，取得很好的效果。

例如，笔者利用DISLab系统对探究影响弹性片振荡周期的因素的实验进行改进。此实验原采用图5所示的装置分析弹性片长度和质量对振动周期的影响。通过实践研究发现，其实验装置尚有不足之处：其一，将钢尺插在纸盒的缝隙中，还需要将纸盒通过某种方式固定牢固；其二，钢尺只是插在纸盒的缝隙中，在振荡时难以保证钢尺伸出的长度不变，并且多次使用后纸盒缝隙处难免不被撕裂；其三，在钢尺上固定毛笔以及通过插橡皮块改变质量等方面操作很不方便。笔者就地取材，使用实验室中的台虎钳固定弹性片，通过在钢尺上吸附磁铁块来改变质量，器材组装如图6。

[8][9]

[7]

另外笔者认为，自制教具价格低廉，易于普及；简单明了，易于揭示物理规律的本质特征；而且易于使学生感到亲切，其中含有许多富有创造性的因素，因此因校制宜地发动任课教师创造教具，具有十分现实的意义。

笔者用饮料瓶、输液管、泡沫盒等自制一套实验装置，配合DISLab力传感器（见图7）借助其动态波形数据采集、求平均值、鼠标显示坐标值等功能对教材中分子间作用力实验（见图8）进行改进，利用力传感器高灵敏度等优点实现实验仪器微型化，直观显示出分子间作用力的存在，并且更换玻璃板、有机玻璃板、铝板，采集到同样的波形（见图9），进一步证明了分子间作用力的普遍性。

[10]

⑶数字化实验系统与虚拟仪器的整合

随着多媒体技术的发展，许多虚拟仪器的产生为物理实验教学注入了新的活力。利用虚拟仪器做实验，可以自行设置各种参数，以控制其达到理想的效果。曾有教师利用虚拟示波器软件与DISLab有效整合进行声波干涉实验有效克服传统实验的缺点，取得很好的效果。[11]虚拟仪器的应用突破了现有实验条件的限制，排除了各种干扰因素对实验的影响，它与数字化实验系统的整合值得深入研究。

2．对实验原理的拓展

实验原理，体现着物理思维，因此对实验原理的拓展，有利于训练学生的创新思维能力。对实验原理进行拓展，应该广泛考虑学科内外各部分知识之间的联系，综合运用各种实验思想和实验手段以达到最优化的实验效果。

在上述探究影响弹性片振荡周期的因素的实验中，用图5所示的装置获得图10所示的振动图像，这种采用较为传统的留迹法获得弹性片振动周期的方法存在一定的局限性。笔者使用磁传感器和微电流传感器，将弹性片的振动转化为磁感应强度和感应电流的周期性变化，通过易测量量获得难测量量，有效突破了操作难点。图11和图12分别是磁感应强度和感应电流周期性变化的图像，它们都可以反映弹性片的周期性振动。该实验采用电磁学的知识和测量手段来研究振动问题为物理实验的改进研究提供了很好的思路。

此外，笔者从开发组合实验，拓展学生思维的理念出发开发出“探究弹簧振子的振动图像”、“探究声波的振动图像”、“探究转速的测量”等系列实验，使用不同的传感器对同一物理现象进行探究，学生在探究过程中不断深化对学科知识之间的联系，体验物理学思维方法的无穷魅力。以“探究弹簧振子的振动图像”为例，笔者除采用位移传感器外，还采用了磁传感器、电流传感器、电压传感器、力传感器、微电流传感器等配合相应的实验装置获得了不同的振动图像，见图13。这种多侧面、多角度地研究同一物理现象，使学生体会到科学研究领域的“殊途同归”。

3．对实验目的的拓展

传统的物理实验多是验证性实验，学生对教材中的实验往往采取简单的“拿来主义”，机械地按照实验要求进行操作，无法深入锻炼学生的探究能力。因此，在完成常规实验内容的前提下，教师可以根据学生的知识水平对实验目的进行拓展，引导学生进一步探究，激发学生的学习兴趣。

例如，在探究通电螺线管内部磁感应强度的实验中，学生很容易想到用磁传感器直接探测通电螺线管内部磁场，如图14所示，我们可以得到磁场强度的变化图像。在此基础上我们可以提出，能否直接获得磁感应强度与探测深度的关系图像呢？学生受到启发，想到将磁传感器与位移传感器组合的方法，如图15所示。那如何分析通电螺线管内部磁感应强度与电流的关系呢？学生很快想到用磁传感器与电流传感器组合。随着对实验目的的逐步拓展，学生对物理现象的认识逐步加深，探究物理现象的兴趣逐步提高。在此基础上还可以引导学生进一步思考：什么是匀强磁场？获得匀强磁场需要螺线管具备怎样的特征？学生提出假设，不断改进实验装置来加以验证，使学生在获取知识的过程中体验物理学的魅力。

再如，在“电容器和电容”的教学活动中，传统的实验是利用平行板电容器与验电器组合，采用控制变量法来定性地分析电容的影响因素。该实验对实验仪器和实验环境的要求很高，很难获得理想的实验效果，无法显示电容器充放电过程中电流、电压的变化，无法研究电量与电压之间的定量关系。运用数字化实验系统可以快速获得电流、电压随时间变化的关系图像，通过积分运算获得电量的数值，进而验证电容公式的正确性。这样将定性实验上升为定量实验。在学生对电容器的工作原理有了较全面的认识之后，我们还可以通过分析图像的细节引导学生认识日常生活中电容器在储能、延时等方面的应用。

数字化实验系统作为一种实验工具可以从多个角度加以拓展，结合具体实验引导学生多角度、全方位地认识物理规律不仅有助于学生掌握实验仪器的使用规律和物理学的研究方法，还能够促使其推而广之，将上述思想方法应用于其它学科的学习以及日常的生产、生活之中。

三、结束语

在教学活动中，为了实现预期目的，教学主体总是要采用一定的手段作用于对象。教学手段是教学活动不可缺少的组成部分。

[12]

论数字电路系统的测试与实验分析 篇6

掌握数字系统的分析和设计方法。

能够熟练地、合理地选用集成电路器件。

提高电路布局、布线及检查和排除故障的能力。

培养书写综合实验报告的能力。

（二）实验要求

1.根据设计任务要求，掌握数字系统的分析和设计方法。首先按单元电路进行设计，然后选择合适的元器件，最后画出总原理图。

2.安装调试电路直至实现任务要求的全部功能。对电路要求布局合理、走线清楚、工作可靠。

3.写出完整的实验报告，包括调试中出现异常现象的分析和讨论。

（三）实验说明

1.数字系统的设计方法。数字电路通常是由组合逻辑和时序逻辑功能部件组成的，这些功能部件可以由各种各样的SSI（小规模）、MSI（中规模）、LSI（大规模）器件组成。数字电路系统的设计方法有试凑法和自上而下法。下面对这两种方法进行简要介绍。

试凑法的基本思想是把系统的总体方案分成若干个相对独立的功能部件，然后用组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法，分别设计并构成这些功能部件；或者直接选择合适的SSI、MSI、LSI器件实现上述功能，最后把已经确定的部件按要求拼接组合起来，构成完整的数字系统。

近年来，随着中、大规模集成电路的迅猛发展，许多功能部件的读数据选择器、译码器、计数器和移位寄存器已经大量生产和广泛使用，不需按照组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法来设计，可直接用这些部件来构成完整的数字系统。对于一些规模不大，功能不太复杂的数字系统，选用中、大规模器件，采用试凑法设计，具有设计过程简单，电路调试方便，性能稳定可靠等优点，因此，仍被广泛使用。

自上而下（或自顶向下）的设计方法适合于规模较大的数字系统。由于系统的输入变量、状态变量和输出变量的数目较多，很难用真值表、卡诺图、状态表和状态转换图来完整、清晰地描述系统的逻辑功能，需要借助某些工具对所设计的系统功能进行描述。通常采用的工具有：逻辑流程图、算法状态机流程图、助记文件状态图等。

这种方法的基本思想是，把规模较大的数字系统从逻辑上划分为控制器和受控制器电路（受控电路）两大部分，采用逻辑流程图或ASM图或MDS图来描述控制器的控制过程，并根据控制器及受控制器电路的逻辑功能，选择适当的SSI、MSI功能器件来实现。控制器或受控器可分别看成一个子系统，所以，逻辑划分的工作还可以在控制器或受控器内部多重进行。按照这种设计思想，一个大的数字系统，首先被分割成不同层次的许多子系统，再用具体的硬件实现这些子系统，最后把它们连接起来得到完整的数字系统。自上而下设计方法的步骤如下：

（1）明确设计系统的逻辑功能。

（2）拟定数字系统的总体方案。

（3）逻辑划分，即把系统划分成控制器和受控电路两大部分，规定具体的逻辑要求，不涉及具体的硬件电路，如下图所示。

（4）设计受控电路及控制器。受控电路可以根据其逻辑功能选择SSI、MSI、LSI功能部件来实现，由于控制器是个复杂的时序逻辑系统，很难用传统的状态图来描述其逻辑功能，如果采用ASM图或MDS图来描述控制器的逻辑功能，再通过程序设计反复比较判断各种方案，则可不受条件限制地导出控制器的最佳方案。

现代数字系统的设计，可以用EDA工具，选择PLD器件来实现电路设计，可以将上面的描述直接转换成EDA工具使用的硬件描述语言送入计算机，由EDA完成逻辑描述、逻辑综合及仿真等工作，完成电路设计。

自上而下的设计过程，并非是一个线性过程，在下一级定义和描述中往往会发现上一级定义和描述中的缺陷或错漏。因此，必须对上一级的定义和描述加以修正，使其更真实地反映系统的要求和客观可能性。整个设计过程是一个反复修改和补充的过程，是设计者追求自己的设计目标日臻完善的积极努力的过程。

2.试验电路的故障检查和排除。在实验中，当电路不能完成预期的逻辑功能时，就称电路有故障。典型故障有三类：设计错误导致的故障，布线错误导致的故障，器件与底板故障。其中大量的故障是由于接触不良造成的，其次是布线错误（漏线和错线），因集成器件本身问题导致的故障是较少的。

初中物理数字实验的优势及问题 篇7

一、物理数字实验的优势

(一)数字实验填补常规实验的空缺

常规实验设计 , 不论是实验器材的选择 , 还是实验原理和实验方法的选定,都必须与学生认知水平相吻合,让学生在动手动脑中学习物理知识掌握物理规律。但由于常规实验器材的粗糙 , 实验原理和实验方法的朴实 ,手工绘图的误差较大 , 致使许多实验无法达到预计的效果。如果借用数字实验探究 , 数据采集和图表分析 , 直接借助传感器、采集器和电脑等先进手段来完成 , 效率高 , 效果好 , 而且还能完成常规实验不能完成的实验探究 , 填补常规物理实验的空缺。

在“探究牛顿第一定律”和“探究影响动能大小因素”等实验中都需要控制小球(或小车)从斜面滚到水平桌面时速度(瞬时速度)相等。为了控制速度相等 , 让小球(或小车)同一高度滚下 , 小球(或小车)到达水平面时速度是相同的。但这一实验规律很难找到学生认知来支撑 , 仅用秒表和刻度尺又无法度量小球(或小车)从斜面滚到水平桌面时速度(瞬时速度), 是无法验证这一物理规律的科学性。对此 , 教师只能进行模糊化处理 , 一旦遇到“打破沙锅问到底”的学生 , 教师却处于两难的境地。

数字实验引进课堂教学 , 就能很好化解这一困局。只要在斜面底端安装一个光电门传感器 , 如图1所示 ,传感器连接采集器 , 再通过数据线连接电脑和投影设备。小球沿斜面滚下 , 到达水平桌面 , 通过光电门时 , 便可挡住光电门的光 , 在电脑和投影的显视频里便可呈现如图2所示的图像 , 可以利用t2-t1的大小来度量小球到底端的速度。因此可以让两个体积相同质量不同的小球(铁球和铝球)从同一高度滚下 , 从采集的图像中通过比较t2-t1的大小来比较速度的大小 , 就很容易得出当高度相同时 , 小球到达水平桌面的速度相同 , 高度越高时 , 小球到达水平桌面的速度越大。

(二)数字实验演示改进实验教学的不足。

数字实验的数据直接通过传感器和采集器传给电脑和多媒体 , 数据还能以图像的形式呈现出来 , 并通过软件调节图像幅度 , 借以提高实验的精确度 , 能让全体学生在较短时间清晰形象地观察实验现象,引发学生共鸣,在老师引导和启发下 , 进行实验数据分析 , 归纳总结物理规律 , 方便快捷 , 省时省力 , 收到事半功倍的效果。

在“探究蒸发过程要吸热”的教学中 , 常用温度计玻璃泡蘸一些酒精 , 拿出后观察温度计的温度在下降 ,有力说明了蒸发过程要吸热 , 但因蒸发吸热导致温度计的温度下降较慢 , 同时温度计体型较小 , 只有少数的同学可观察到。要想让更多学生都能观察到实验现象 , 需要将演示实验改为分组实验 , 那将要花费相当长的课堂教学时间。

若将此改用数字实验探究 , 情形则不一样了。先设计温度计传感器1秒采集10个数据 , 采集时长为5分钟 ,将温度计传感器从水中拿出来 , 竖直放置 , 在课堂中现场采集数据。水由于蒸发时吸热 , 温度在下降 ; 当水蒸发完后温度又回升到原来的温度。温度升降的图像和数据直接在多媒体屏幕中呈现 , 如图3所示 , 可以让所有的同学都能观察到温度的变化。另外 , 采集到图像 , 老师还可以借用直观的图像命题 , 有助于教学难点突破 ,有利于实验内涵的挖掘 , 使实验教学省时省力 , 效果好 ,效率高。

(三)视频展示诱发课外探究的欲望

现在是一个信息化数字化时代 , 在教学中让学生了解一些数字技术是十分必要的 , 学生也是十分渴求的。巧妙地利用好学生高昂的探究热情 , 有计划组织学生课外探究 , 以短视频形式拍摄学生课外探究过程 , 在课堂展示分享并分析研究成果。这些短视频引入课堂教学 ,为课堂教学输送新鲜血液,它不仅为物理教学提供实证,而且还是学生思想激励素材 , 它拓宽创新了物理教学思路 , 增强教师的凝聚力 , 诱发更多学生参加课外探究欲望 , 收到很好教学效果。

在探究大气压与高度的关系时 , 选用一个700KPa气压传感器 , 并连接采集器 , 采集器设计1秒中采集一个数据 , 时长设计为15分钟。组织5位学生兴趣探究小组 , 拟定探究计划。一位同学负责主持解说 , 一位同学负责摄影 , 其他三位同学随同探讨 , 也是见证。在一楼测出大气压的值为99.7KPa, 乘电梯到5楼 , 测出大气压值99.5KPa, 到达10楼时的大气压值为99.3KPa,15楼的大气压值为99.0KPa。完成探究之后 , 将视频进行剪切编辑 , 待教学大气压强与高度关系时 , 将视频在课堂上播放 , 学生见到自己熟悉身影 , 课堂一片哗然 , 情绪高涨 , 起到许多意想不到的效果。

(四)数字探究促进学生素养的提高

义务教育课程标准明确提出 , 物理学科的教学旨在提高学生的科学素养。然而教学素材和实验器材若还是停留在17世纪的科技水平和方法上 , 这与现代信息化数字化的科技发展存在一定脱节。尽管在课堂教学中引入科技素材 , 来缓和这一脱节的矛盾 , 但也只是停留在介绍的层次 , 不能引发学生研究方法的改变 , 影响学生科学素养的培养和创新潜能的激活。从近几年青少年参与科技创新大赛来看 , 大多数学生的小发明思维和方法较狭隘 , 还停留在日常生活用功能组合和迁移 , 让人眼睛一亮的作品少之又少 , 这不得不引发笔者对教学的反思。现在是一个数字化信息化时代 , 学生对网络游戏的痴迷和探索能力令教师也折服。不是中学生潜能尚浅 ,而是教学没有去有意识地发现挖掘激活学生的科技潜能和创新意识。让数字实验走进课堂 , 为课堂教学输送新鲜血液。它借助先进技术手段来采集数据 , 绘制图像 ,多快好省地分析总结物理规律 , 这不仅开阔学生视野 ,而且让学生了解数字实验探究各种传感器作用和采集器的数据分析方法 , 拓展了学生课外研究能力 , 吸引更多学生进行创新研究中去 , 借以开拓和培养学生的科学素养 , 让新一轮课程改革有更大突破 , 这是我们期盼的 ,也是教育工作者正为之努力的。

二、推进数字实验存在的问题

(一)常规实验装置更贴近学生认知水平和生活实际

常规实验装置更贴近学生认知水平和生活实际。弹簧测力计是利用了弹簧伸长与拉力成正比 ; 天平是一个等臂杠杆 ; 温度计是根据液体热胀冷缩原理制成的。学生使用这些测量工具 , 知其然 , 也知其所以然 , 心中有底气 , 使用得很坦然 , 更有利于学生对知识的建构和掌握。而数字实验设备都是高科技的电子产品 , 学生只知道传感器的功能 , 却不懂它的原理。如果设备出现故障 ,导致数据出现错误时 , 学生也会盲信 , 更谈不上故障排除。

(二)数字实验教学加大教学管理的难度

数字实验设备都是高科技的电子产品 , 它的价格昂贵 , 学生因操作不当 , 导致设备出现故障或损坏 , 还有个别学生将实验器材带出实验室玩 , 这都会造成很大的损失 , 势必对教学的管理增大难度。因此许多教师不愿意将学生带进数字实验室 , 势必影响数字实验教学的推进。

(三)数字实验教学的推进受考试的制约

由于地区发展不平衡 , 数字实验教学还尚未普及 ,还没有纳入中考命题范畴,因此数字实验引进课堂教学,虽然有很强优势 , 目前还没有被广泛认同和接纳。例如 :伏安法测量电阻 , 常规实验和数字实验都可以实现。但数字实验的优势较明显 , 它不仅测量电阻更精准 , 更快捷 , 而且还能很好探测到“灯丝的电阻受温度的影响”。但在中考命题中 , 还是考查常规电流表和电压表的使用和读数。数字实验虽好 , 数字实验教学与中考命题的脱节 , 致使许多教师宁愿墨守成规 , 不愿积极投入数字实验教学研究 , 不愿意推进数字实验教学改革 , 这严重制约数字实验走进课堂的进程。

但相信 , 正如初三物理《家庭电路》中的空气开关挤进教材一样 , 随着社会发展 , 人类进步 , 数字实验会逐步走进学校 , 走进教材 , 走进中考 , 走进课堂 , 优化课堂教学 , 培养出更多高素养的创新人才。

浅谈物理实验测量中的有效数字 篇8

关键词：物理实验,测量误差,有效数字直接测量,间接测量,运算规则

实验是初中物理教学的沃土, 也是培养学生学习兴趣的重要手段。在物理教学中, 用实验激发和引导学生的学习兴趣, 通过实验激发学生探索物理的欲望, 让学生明白“生活就是物理”, 通过这种方法获得的知识和能力对学生的影响非常大。

物理概念和规律是在观察实验的基础上得到的, 而很多的实验教学中离不开测量, 而在物理量的测量中总存在着测量误差。因此, 测量结果的有效数字问题是测量实验中经常遇到的, 在两种测量的数字处理中, 都离不开它有效数字。下面浅谈一下我对物理实验测量中有效数字的一些认识。

一、有效数字的一般概念

举例来说:初中阶段学习过“用毫米刻度尺测量物体长度”时, 我们用一把刻度尺测出物体的长度为5.32cm, 换另一把刻度尺或换不同的测量者测出物体的长度为5.33cm, 前两位数不会变化, 我们称之为可靠数字, 但最后一位数字估计不同, 我们称之为可疑数字。虽然最后这位数不准, 但是客观地反映了这个物体的长度在5.3cm和5.4cm之间, 更加合理。有效数字是描述某一近似数精确度的一种方法。

根据上面所述, 有效数字概念可理解为:把测量结果中准确的几位数字加上不可靠的一位数字, 称为有效数字。而这种有效数字的概念适用于两种测量方法。

二、有效数字的读取

(一) 直接测量量的有效数字读取

从测量工具上直接读数, 要准确读出有效数字, 它是处理数据和估算误差的基础。一般而言, 仪器的分度值决定了测量的精确程度, 误差出现在分度值的下一位。由于仪器多种多样, 读数规则也有不同, 大致归纳为如下。

1.对于有游标的仪器, 在读数时, 有效位数为游标尺的最小分度值所在的位。如:在分析天平上称取试样0.5000g, 这不仅表明试样的质量是0.5000g, 还表明称量误差在+0.0002g以内。若记为0.50g, 则称量误差为0.02g了。

2.对于米尺类刻度的仪器读数应读到分度值的下一位, 即最小分度所在的位加上一位估读数, 而对于分度值为0.2、0.5的仪器, 有效数字的位数取该仪器的最小分度值。例如, 用毫米刻度尺测物体长度为12.50厘米, 这个“0”是有效数字, 必须记录下来, 若写成12.5厘米就不行了。

3.数字式仪器不需要估读, 仪器所显示的末位就是可疑的一位。

例如, 一个同学在使用变阻箱时, 各个指针指示数字记录如下表。

根据有效数字的读取规则, 该变阻箱的阻值应为:R=3745。

4.在读取数据时, 如果测量值恰为整数, 则必须补“0”, 一直补到可疑位为止。

(二) 间接测量量的有效数字读取

由于间接测量需要进行运算, 根据运算所出现的情况, 我觉得间接测量量的有效数字可以这样来读数:

1.加减运算类, 有效数字末位应与数量最大的那一位对齐。

例如:213.25+16.7+0.124=230.074, 计算结果为230.1 (数字下有横线的都是各数末位数数量级最大的那一位, 仍算有效数字) 。

2.乘除运算类, 有效数字的位数应与各数中有效位最少的那位相同。

3.一个数进行乘方或开方运算时, 有效数字的位数应与被乘方或开方的有效数字的位数相同。

4.对数、指数、三角函数运算结果的有效数字位数, 小数位的位数一般与原数字的小数位的位数相同。例如:x=43°26′, 求sinx=?

查表求出:sin43°26′=0.6875100985

|sin43°27′=0.6877213051

由此可知应取sin43°26′=0.6875

5.在运算过程中的中间结果的有效数字的位数应多保留一位, 以免多次取舍而造成的更大误差。

三、确定有效数字应注意以下几点:

1.要注意物理学科的科学性原则, 记录数据时, 要认真考虑数字“0”。数字中间“0”和后边的“0”都是有效数字, 绝不能随意舍去。如:5.20cm, 不可以写成5.2cm;

2.记录测量的物理量数据时, 只能有一位可疑数字;

3.如果首位数字较大时, 有效数字位应多算一位;

我们无论在进行哪一个物理实验中物理量的测量, 都需要采用精密的测量工具和一丝不苟的工作态度, 以减小由于工具或人为因素带来的测量误差。同时, 了解物理实验测量中有效数字的读取、运算等初步知识, 使我们所测量的物理量更具有可信赖性。

参考文献

[1]陈群宇.大学物理实验.电子工业出版社.

[2]杨述武.普通物理实验.高等教育出版社.

[3]缪兴中.有效数字的概念分析及其探讨.教研通讯。

[4]北京大学物理系.物理实验.

[5]彭前程.物理.人民教育出版社.

数字化物理实验系统 篇9

教育手段的信息化是现代教育技术发展的重要内容,是实现教育现代化的具体途径和主要标志,以教育信息化带动教育现代化是教育改革和发展的大势所趋。实现实验教学的信息化不仅成为信息技术与课程整合、教育手段现代化的一个突破口,而且对培养学生的实践动手能力、激发学生的学习兴趣、提高综合素质和培养创新思维起着重要作用。

一、数字化虚拟实验教学系统的形式、功能及特点

与理论课程教学时数相比,实验教学课时较少,且由于实验条件、场所、仪器的限制,实验课程内容开设有限、复习和巩固教学环节缺失,严重制约了实验课程教学目标的实现。微型计算机的普及和校园网建设的日益成熟为实验教学方法的改进和内容的革新提供了条件。

1. 数字化虚拟实验教学系统的形式和功能

要实现数字化实验教学系统的应用首先须进行数字化教学资源建设,开发多媒体实验教学课件,实现实验过程的数字模拟。通过收集实验设备的数字信息,将多媒体资源制作成实验教学数字资源,表现特定的实验教学内容,借助Flash动画软件,整合声音、图像、文字等多种媒体资源。通过多种媒体表现形式,呈现实验大纲、实验原理、实验目的与要求、实验设备、实验演示课件、实验示范录像等信息。学生不仅可以观看实验模拟过程,还可以动手操作课件。通过不同操作参数的变化,在动画及声像软件中产生不同结果的信息反馈,通过学生与教学资源的互动,使学生对实验信息有更深刻地理解和认识。

数字化仿真实验系统为教学内容与学生实现网络互动提供了基础。由网络平台提供浏览、查询、测试、交互等功能,实现实验的网上预习、实验报告的网上提交。学生在实验开始前利用网络学习实验课件,实验结束后将实验报告上传给教师,实验中遇到的问题,在网上与教师和同学进行交流获取帮助。教师在网络平台上发布实验通知和实验要求,上传实验教学资源,对学生进行答疑。

2. 数字仿真实验教学系统的优点及局限

(1)仿真实验教学系统的优越性

针对真实实验的缺欠,虚拟仿真实验项目建设是目前实验教学发展的热点之一。与传统真实实验相比,仿真实验具有一些显著的优越性。

(1)仿真实验突破了现实教学条件对实验内容在时间与空间上的制约。在显示实验教学中,一些实验设备由于价格昂贵、操作复杂、操作条件苛刻或其他一些原因,难以让学生在实验室中完成。还有一些项目实验周期长、测试项目反复,不适宜于安排在实验教学课堂上完成。而数字仿真实验平台是一个开放的实验平台,师生可以不受时间空间的限制,在虚拟的环境条件下,自由地操作选定的实验项目。对于在实际操作中容易出现错误、发生危险的实验项目更是可以放下包袱,反复操作、练习。

(2)虚拟环境下的仿真实验节省了大量经费和资源。实验室的建设维护、仪器设备的采购保养以及实验教学运行管理都需要很多费用,仿真实验使这些费用都大幅度降低,而且可以创造更好的实验条件和更多的实验机会。另外,学生开展设计性、综合性实验时,可以先进行模拟仿真实验,在得到最优方案后再进行实际实验,可以有效地避免盲目性错误,提高实验的成功率。

(3)数字仿真实验还能够有效促进学生创新意识和创新能力的培养。学生可以在虚拟环境下开展综合性实验和创新性实验,彻底摆脱现实实验条件的约束,在更深、更广的知识领域内探索。利用网络实验环境,可以发挥实验者的想象力,去实现自己的设计,而不受器材、仪表等的限制,为学生创造力的发挥提供广阔的空间。

(4)网络化仿真实验能够充分体现学习内容的开放性和资源共享性。仿真实验内容具有高度的可获得性,更广泛专业范围内、不同高校的学生都可以进入实验系统,实验者不再受时间、空间上的制约,而教师可以共享教学信息资源,促进相互交流,节省教学资源和快速反馈教学问题,发挥优质教学资源的辐射作用。

(2)仿真实验教学的局限性

仿真实验在实验、实习、实训等方面具有明显的优越性,值得大力推广,但同时其在某些方面的应用也存在不足之处。

例如在水处理工艺实验教学中,工艺实验处理效果受各项水质参数和运行操作参数的影响,每个参数对处理后水质参数的影响程度和趋势各有不同,处理后水质各项参数变化由于受不同机理的控制也存在很大的差异。各工艺参数协同作用对处理后水质参数影响的数学模型极其复杂,学术界至今没有形成成熟的、被广泛接受的模型理论。因此,在仿真实验中,大部分的实验参数被确定,每个实验只能限定1~2个工艺参数作为可调整的实验参数、演示处理过程中及处理后水质的1~2项水质参数的变化。学生在实验过程中只能观察到单一参数对实验结果中单一数据的影响,不能综合分析讨论工艺过程中的多项重要机理,难以对工艺过程产生全面、立体、多维度的认识,使实验教学效果大打折扣。仿真实验的这种局限性难以在短期内有所突破,需要新的实验教学形式作为有效补充。

二、在线监测实验系统的作用

一些水处理工艺实验运行周期较长,水在处理构筑物中停留时间最短也要几个小时,生物处理工艺甚至达到几十个小时以上,也就是说运行参数或水质参数发生变化需几个小时甚至几十个小时才能显现出后续效果的改变。实验周期过长,不适宜于在实验课上进行。另外实验取样次数频繁、水样检测分析工作量庞大,分析过程中产生操作误差的几率高,难以有效保障实验教学质量。而一些典型工艺的实验教学对学生深入理解和掌握学习到的理论知识具有重要意义,须寻求适当方式开展典型工艺的实验教学。在线仪表与计算机相结合应用在实验教学中是克服实验周期及检测分析问题的有效途径,同时对于一些仿真技术无法模拟的实验项目也能够提供适宜的操作条件。

以一个污水生物处理工艺实验为例,将在线监测有机物、氮、磷含量等水质参数以及流量、液位等操作参数的传感器安装在处理工艺构筑物模型的适当位置,水质及操作条件模拟信号传入探头控制器,将模拟信号转换成数字信号,与计算机进行通讯,工业控制组态软件将分析数据经过处理存储起来备查。组态软件可以适当发挥控制功能,调节阀门、水泵、计量泵、鼓风机等执行机构的控制参数。让学生通过对存储的数据做数学处理进行动力学计算和反应机理分析,根据水质参数和运行参数数据结果优化工艺运行条件。系统具有一些有利于提高教学效果的独特属性。

1. 数据记录和存储功能

在线记录、保存实验信息是在线监测实验教学系统的基本性能。记录数据量大,不仅可减小学生自行检测和记录可能造成的取样和分析误差,而且由于数据丰富,便于师生从多方面对实验数据进行分析,充分认识和理解实验的教学内容。

2. 对实验过程的指导和规范

在实验指导、教学内容信息传递方面具有与数字仿真实验系统相同的功能,同时在操作上实时提示学生应如何操作,随着操作阶段的不同,指出操作要点和注意事项。限制操作参数在合理范围内,当学生操作失误时能够即时发出警示,并拒绝执行操作,保障仪器设备不会由于误操作而造成损坏。

3. 优良的综合性、设计性实验和创新实验平台

在线监测的模型实验系统具有完备的数据采集功能和最接近实际工艺运行状况的实验操作过程,能够进行复杂、多样的实验,为综合性、设计性实验提供完备的物质基础。最接近真实状况的实验条件和实验内容的丰富性使学生在发现问题、解决问题、开发想象力、发挥创造性方面拥有极大的空间,为创新实验提供广阔的舞台。

4. 教学资源利用最大化

实验操作条件、实验结果的数字化为在线监测实验系统网络化打下基础。学生可以利用校园网对实验模型设备现场进行远端操作控制、实时下载实验数据并与指导教师进行交流,使学生不致在漫长的实验周期中全部时间被实验操作和取样分析所占用,同时大量的实验数据可以由所有学生共同分享,各取所需,让实验数据发挥最大的作用。

一些在线仪表比较昂贵,整个在线监测实验系统造价较高,一套系统不能只供少数学生使用。将在线监测实验系统与网络连接,让更多的学生和教师分享实验数据,使其体现最大价值。

三、结束语

信息化是实验教学发展的重要方向,数字仿真实验系统和数字化真实实验系统作为实验教学信息化建设的重要内容,应优势互补,共同在实验教学中发挥作用。

参考文献

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[3]陈旭冰,赵俊英,刘光明.化工原理仿真实验在实验教学中的应用[J].大理学院学报,2006,5(2):89～90

[4]何连琴,陈跃华.仿真技术的实验教学应用与探讨[J].中国现代教育装备,2009,15:73～76

[5]曹旭帆,叶舟,高灵.基于计算机仿真技术的实验教学改革方案[J].实验技术与管理,2007,24(12):99～101

[6]谢佑国,徐菊美,曹砚君,等.计算机在线监控技术在工程类实验教学装置上的应用[J].实验室研究与探索,2005,24(4):43～47

数字化物理实验系统 篇10

1 几个基本概念和结论

(1) 对于一组测量数据, 其结果可疑数字所在位数越高不确定度越大。

(2) 对于一组测量数据, 其结果有效数字位数越多相对不确定度越小。

(3) 测量结果的有效数字位数由不确定度来确定, 测量值的最后一位一般要与不确定度的最后一位取齐。

(4) 当不确定度的首位数字≤3, 不确定度的有效数字可取两位;当首位数字大于3时, 可只取一位有效数字[3]。

(5) 间接测量量合成不确定度的两个计算公式:

间接测量量N=f (x1, x2, …, xn) , 其中x1, x2, …, xn为若干直接测量量。则:

2 有效数字运算规则

间接测量结果的得出必须经过有效数字的运算, 运算结果中保留的有效数字位数, 应当以不确定度传递公式来决定。如果在实验中没有进行不确定度的估算, 最后结果的有效位数由算式中不确定度最大的分项来确定。按照有效数字的定义, 有效数字最后一位是不确定度所在的位置, 为了方便讨论, 我们假定所有的数据最后一位都有1的不确定性。

2.1 加减法运算规则

加减运算, 以参与运算的各分量中末位数量级最高的量为准, 其余各分量在运算过程中均比它的末位多留一位, 运算结果与它取齐。

例1 N=x1-x2+x3+x4, 其中x1=71.3cm, x2=0.753cm, x3=6.262cm, x4=271cm, 求N。

在x1、x2、x3、x4中, x4的末位数量级最高 (在个位上) 、不确定度最大, 可知N的合成不确定度UC (N) ≥1cm, 于是, 在运算过程中其它各数保留到十分位, 运算结果与D取齐。即

如果先把其余各分量与末位数量级最高的量取齐, 运算结果是:

显然, 舍去的比进入的大, 运算结果变小了, 因此, 在加减运算过程中其余各分量均比末位数量级最高的量多留一位, 运算结果与它取齐。

2.2 乘除法规则

乘除运算, 以参与运算的各分量中有效数字位数最少的分量为准, 在运算过程中其余各分量 (包括常数和无理数) 比该量多留一位, 运算结果也比该分量多留一位。

文献[2]中说到“若结果的第一位数的数值大于有效数字最少的分量的第一位数的数值, 就只需取与这个有效数字最少的分量的位数相同;如果结果的第一位数的数值小于有效数字最少的分量的第一位数的数值, 就需比这个有效数字最少的分量多留一位”。在计算机和计算器普及的今天, 特别是对初学者来说, 做任何区分没有必要。笔者认为:“乘除运算结果的有效数字位数比参与运算的各分量中有效数字位数最少的分量多留一位”是比较保险的, 不必再做任何区分了。

例2, 其中, x1=39.5, x2=4.08437, x3=0.0013, x4=867.8, 求N。

x1、x2、x3、x4中x3的有效数字位数最少, 有两位, 相对不确定度最大, 则在运算过程中其余各分量及结果取三位, 有:

因为N合成不确定度

结果写成:N= (2.41±0.19) ×10-4。

结果写成:v=2.146±0.005

从例2和例3可以看出, 乘除运算结果的有效数字位数比参与运算的各分量中有效数字位数最少的分量多留一位比较保险。

2.3 对一个物理量进行多次直接测量, 其算术平均值的精确度与各测得值的精确度相同, 有效数字位数不变

例4.用千分尺测量钢球的直径10次, 数据如下:

di/mm:11.998, 12.005, 11.998, 12.003, 11.997, 11.995, 12.005, 12.003, 12.000, 12.002。d算术平均值。如果写成, 无意中提高了仪器的精确度, 显然是不可能的, 因为千分尺的不确定度就在千分位。

2.4 对于累积法测量一个物理量的值, 其精确度与累积量的精确度相同, 有效位数可能会减少

例5.用秒表测量三线摆的周期, 首先测得三线摆扭摆30个周期的总时间t=54.48s, 则三线摆的扭摆周期T=1.82s, 同样, 不能写成T=1.816s, 因为秒表的不确定度就在百分位。

3 结论

加减运算, 以参与运算的各分量中末位数量级最高的量为准, 其余各分量在运算过程中均比它的末位多留一位, 运算结果与它取齐。

乘除运算, 以参与运算的各分量中有效数字位数最少的分量为准, 在运算过程中其余各分量 (包括常数和无理数) 比该量多留一位, 运算结果也比该分量多留一位。

对一个物理量进行多次直接测量, 其算术平均值的精确度与各测得值的精确度相同, 有效数字位数不变。

对于累积法测量一个物理量的值, 其精确度与累积量的精确度相同, 有效位数可能会减少。

摘要：本文结合笔者多年的教学体会, 通过列举实例探讨有效数字运算规则, 为初学者加深对有效数字运算规则的认识。

关键词：有效数字,加减法运算,乘除法运算,算术平均值,累积测量

参考文献

[1]孙红贵, 朴影.张建华.有效数字及其运算[N].嘉兴学院学报, 2005, 17 (6) .

数字化物理实验系统 篇11

关键词：DIS系统；声学演示实验

一、DIS数字信息化实验室简介

朗威数字化信息系统实验室（Digital Information System Laboratory系统，以下简称DIS系统）是由上海市中小学数字化实验系统研发中心立足新课改的具体要求研究开发的。该系统是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统。DIS系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。

我校配置的DIS系统由传感器、数据采集器和专用软件构成。数据采集器与计算机以串行方式通信，与传感器采用并行输入方式，可一并接入最多4个传感器。它同时具备弹簧测力计、电流表、电压表、示波器、数字毫秒计、温度计和气压计等多种仪器设备的功能，可以实现动态测量的高精度和数字化。它能够完成高初中阶段绝大部分定性、定量测量的物理实验，大幅提高实验精确度和实验效率。DIS系统不仅可以完成传统的物理实验，还可以完成一些传统实验很难完成的实验并且现象明显。

二、声现象演示实验

（一）实验装置

将数据采集器通过专用数据线连接到计算机，连接电源，将声传感器通过数据线连接到数据采集器，打开数据采集器开关，在计算机上启动DIS系统软件，选择“通用软件”即可开始实验。如图1。

（二）声音的产生

敲击音叉，可动态显示声音波形，振幅逐渐减小，用手触摸音叉，停止发声，波形变成一条细水平线，显示物体振动发声（如图2）。

（三）声音的特性

1.频率：音调。

①比较256HZ/512HZ音叉的音调和频率，学生可以通过大屏幕直观地看到不同音调的声音波形，音叉振动的频率不同（相同时间内，音调高的完整波形的个数多，也就是频率较高）如图3、4。

②比较63HZ、100HZ、315HZ、630HZ、1000HZ、2000HZ、4000HZ不同频率的声音波形可以由课件通过音箱播放声音，由系统测量（将声传感器对准音箱喇叭）并显示波形，让学生观察、比较（因采样频率最高10KHZ，所以高频信号的波形显示需要较高配置的计算机，采样频率选择10K，4000KZ以上频率的声音一般配置的计算机系统不能显示波形）也可以由教师事先整理成图片依次展示，如图5、6。

注意：软件中“采样频率”选最大的10K；该实验对计算机配置要求高，否则不能正常显示波形。

2.振幅：响度。

调整好系统，敲击音叉显示波形，调整“X缩放”可显示如图7、图8，振幅越大响度越大，也就是声音“大”，反之声音“小”。

3.音色。

不同乐器发出的声音波形不一样，有条件的学校可以现场演奏，或者播放乐器演奏的录音、音频文件，由DIS系统采集数据，调整后可以直接在大屏幕上展示。也可以由男生女生分别上讲台，对准声传感器发声，即时显示波形并分析。

（四）观察噪声的波形

注意：采集数据完点击停止后，要点击“X平移”才能显示刚才噪声的波形。教师可根据情况选取合适的频率、振幅都不规则的部分，引导学生仔细观察。也可以展示事先做实验的波形图像以节省时间。

三、利用DIS系统做演示实验与传统实验的优劣分析

（一）可视度高

传统实验使用教学示波器或大屏幕示波器，后排学生很难观察到波形的动态变化。而DIS系统通过投影仪将整个图形投影在大屏幕，大大提高可视度，使得全班学生都能非常清晰地观察到波形的动态和静态显示。发声结束后，波形依然显示在大屏幕上，学生可以继续观察，教师也可以对显示的波形仔细分析，非常方便。

（二）即时动态显示

无论敲击音叉还是通过计算机所带音箱发声，DIS系统都可以即时动态显示声音的波形，使学生能直观地观察实验现象，加深对声音的产生、声音的波形、声音的特性以及噪声的理解。

（三）装置组装容易，调整方便

系统组装非常容易，只需连接声传感器、电源、计算机数据线，即可开始实验，而传统教学示波器或大屏幕示波器在实验过程中需要仔细调整才能显示正常波形。另一方面，DIS系统通过专用软件可以很方便地通过鼠标点击分别调节波形X、Y轴的放大比例以达到最佳显示效果，并大大提高课堂效率。

（四）如有需要，可对各种声源做定量分析

DIS系统显示的波形X轴为时间，可以定量计算声音的频率；不改变Y轴比例，可以直观地定量比较不同响度的振幅。

（五）可利用系统开展多种课外兴趣小组活动

四、几点注意和反思

（一）DIS系统虽然有很多优点，但不能完全替代学生自主的动手探究。

（二）教师应有针对性地介绍波形图像所代表的物理意义，比如频率、振幅等。

（三）对配套使用的计算机要求配置高，否则波形显示不正常或无法显示。

（四）教师在课前应主动试做实验，熟悉DIS系统，提高课堂效率。

参考文献：

[1]朗威数字化信息系统实验室V5.0DISLab用户手册.

数字化物理实验系统 篇12

近年来, 随着检测技术的的发展, 检测标准的不断提高, 普通表盘读数的液压实验机由于其技术落后已不能满足实际检测需要, 通常该类设备存在以下问题: (1) 设备的多项技术指标已达不到新标准的技术要求。 (2) 系统通过表盘转动读取数据, 实验数据的精度低、误差大。 (3) 系统不能对实验数据和曲线进行存储、查询和分析, 满足不了数字化检测标准的要求。 (4) 系统功能差, 不能完成特殊性、复杂性实验, 不具备恒速试验、负荷保持、位移保持等功能, 且不能实现试件位移测量与变形测量。 (5) 系统无过载实验保护功能, 安全性差。

因此如何提高普通表盘液压实验机的技术性能, 以适应检测技术的发展, 满足新标准的技术要求成为急需解决的问题。通过研究, 可以利用计算机数字化技术对该类设备进行技术升级改造, 以提高设备的技术性能, 达到使用要求。

2、技术升级改造方案

2.1 技术要求

为满足检测需要, 技术升级后的设备应实现以下技术要求:

(1) 改进和提高系统的技术性能和各项技术指标, 提高实验精度。

(2) 实现实验数据的信息化管理功能。

(3) 提高设备的实验能力, 扩充实验参数。

(4) 完成特殊性、复杂性实验。

(5) 提高系统的安全使用性。

(6) 提高检测工作效率, 降低工作强度。

2.2 工作原理

在保留原实验机系统的主机、油源及控制部分的基础上, 在油压管路上加装高精度的油压传感器, 增加计算机系统, 用于安装PCI测控卡和测控软件、接口软件、管理信息系统等应用软件。系统通过程控模拟放大器、A/D转换和数字量采集通道, 由油压传感器实时采集实验机油路的压强信号, 当油路产生压力值时, 传感器会将采集到的压强信息传输给“全数字PCI试验机专用测控卡”, 测控卡记录压强信息, 并根据公式计算试验压力值:

P:压强

F:试验压力值

S:受力面积

该技术的特点是在油压管路上加装高精度油液传感器, 对实验机的油路压强信号进行实时采集, 减少了力的传递环节, 提高了实验数据的精度。

2.3关键技术

2.3.1 油压传感器数据采集技术

本系统采用的油压传感器测量范围为0～50M P, 精度为±0.1%, 其工作原理是当实验机油路产生压力时, 实时采集压强信号, 以每秒75次的频率向“全数字PCI试验机专用测控卡”传输压强信号。

2.3.2 全数字PCI实验机专用测控技术

该技术是以计算机系统PCI总线为硬件平台, 采用大规模数字化集成电路, 集实验机所需的力测量通道、变形测量通道、位移测量通道等各功能于一体, 与软件系统一起构成了数据处理系统, 形成了基于PC机的实验机专用控制系统, 该技术有效的提高了实验数据的精度。

2.3.3 软件技术

系统中的测控软件、数据接口软件、管理信息系统数据库软件是基于WindowsXp/2000/NT操作系统开发, 按照实验机产品和实验室标准设计, 专业化程度高、软件技术安全、可靠, 可扩展性强, 实现数据的分析处理功能。

2.4 技术方案

(1) 保留原实验机系统的主机、油源及控制部分, 用于控制实验机油缸的动作。

(2) 在原系统的油压管路上增加高精度的油压传感器, 采集油管压强信号。

(3) 增加计算机系统, 用于安装PCI测控卡、测控软件、接口软件、管理信息系统等数据库应用软件, 进行实验数据的采集、处理和存储。

(4) 加装I/O接口电路, 用于连接油压传感器和PCI测控卡, 进行压强信号的数据传输和A/D数据转换。

(5) 在计算机系统中加装PCI测控卡, 对接收到的压强信号进行计算。

(6) 安装专用测控软件, 用于读取PCI测控卡的实验数据, 绘制并保存实验曲线, 将实验数据和曲线保存到数据库应用软件中。

(7) 在计算机系统中安装数据接口软件, 实现测控软件和数据库软件的数据传输连接。

(8) 安装管理信息系统数据库应用软件, 用于实现对实验信息的录入、存储、计算、校验、查询、分析、存储等功能。

2.5 技术指标

通过数字化技术升级改造的压力实验机的技术指标为:

(1) 试验力测量范围:2%—100%

(2) 试验力示值精度:±1%

(3) 变形测量精度:±0.5%

(4) 变形测量分辨率:0.001 mm

(5) 实现了计算机处理、显示试验力值和各种试验曲线的功能。

3、结语

通过数字化技术升级改造后的压力实验机技术性能良好, 各项技术指标均达到了实验标准要求, 具有以下几方面的优点:

(1) 系统的各项技术指标都有了很大程度的改进和提高, 如在试验力测量范围、试验力示值精度、变形测量精度、变形测量分辨率等方面都要优于原设备, 提高了系统实验精度, 满足了标准要求。

(2) 实现了系统的信息化管理, 提高了检测工作效率, 降低了工作强度。

(3) 提高了设备的实验能力, 扩充了实验项目和实验参数。

(4) 系统软件维护方便, 运行稳定, 可扩展性强。

(5) 系统工作更加安全、可靠。