DIS实验系统（共7篇）
DIS实验系统 篇1
随着信息技术的不断发展, 一种以计算机、传感器和数字采集器为主的DIS (Digital Information System) 数字化信息系统正在逐步走进中学物理课堂, 服务于课堂教学。DIS系统是利用电脑做终端, 通过连接数据采集仪、传感器和传统仪器共同完成物理量的测量, 观察物理现象, 探索物理规律, 是新一代智能化实验教学仪器, 其工作原理如图1。与传统的实验仪器相比较, 它有很多优势, 例如测量精度高, 处理速度快, 数据精准丰富, 图像形象生动, 不仅节省了大量的课堂教学时间, 还可以拓展课外实验, 激发了学生对物理实验的兴趣和创新意识。[1,2]DIS系统可以说是信息技术与物理实验的完美结合。本文就几个演示实验的案例来介绍DIS系统在物理演示实验中的作用。
1 动态实验过程, 深入理解概念
DIS系统不仅可以完成所有传统实验内容, 而且实验过程更为简便、直观, 特别是其动态的展示实验过程, 即时输出实验数据, 学生可以观察所得图像, 分析图像特征, 总结物理规律, 能帮助学生更好的理解物理概念和物理规律。
如传统演示实验中验证牛顿第三定律, 通常选两只弹簧测力计, 然后互相对拉, 看两个测力计的示数是否相同。在实验过程中学生无法同时观看两个侧力计的读数, 这样就给实验带来了偶然误差, 同时传统实验无法展示作用力和反作用力的动态变化关系。而利用DIS系统的力传感器, 设置两个通道, 用正负表示方向, 可以形象的表现出作用力和反作用力的动态变化关系, 如图2。
2 实验数据精准, 处理方式多样
DIS系统中的传感器包括力、运动、电流、电压、压强、温度、声、磁等十多种, 可测量的物理量十分丰富。除了传统仪器可以测量的力、电等物理量, 还有一些是传统仪器无法测量的, 如声波、磁场等。同时实验数据采集系统所使用的传感器分辨率高, 而且有多个量程, 如温度传感器的分辨率为0.01°C, 量程-50°C~+250°C;双量程电压传感器分辨率为1m V/0.01V, 量程-1.5V~+1.5V/-15V~+15V等。采集周期最短为20μs, 频率达到104Hz。
在数据显示方面, 在计算机上对于连续采集的数据有图像、表头或数据三种不同的数据显示方式;同时可以对生成的曲线拟合公式, 用于数据分析。
如用DIS系统研究通电螺线管内部的磁场。将磁传感器置于通电螺线管的一端, 然后沿轴线方向匀速进入, 得到其内部磁感应强度随时间变化的图像 (图3) 。通过图像可以得出以下结论: (1) 螺线管内部磁场是呈对称分布, 中间部分磁场最强, 两端磁场较弱; (2) 螺线管中间部分可以近似为匀强磁场。
改变实验中螺线管中电流的大小, 将磁传感器放置于螺线管内部固定位置, 分析磁感应强度随电流的变化关系, 得到B-I曲线 (图4) 。图4中清晰的看出B与I成正比关系, 此图像与理论结果是相符合的。
3 节约操作时间, 利于深入讨论
DIS系统操作简单, 只要对该系统进行简单的了解, 从实验操作到软件操作, 都很容易完成。在实验过程中可以对实验数据实时采集、处理、绘图、存储以及打印过程。下表列举了几种常见的物理演示实验用两种不同方法在数据处理时间上的比较, DIS实验的时间包含了曲线拟合函数和公式运算的时间。
以上数据表明, 利用DIS系统处理数据可以比传统实验节省70%以上的时间, 同时减少实验的偶然误差。利用DIS系统演示实验, 一方面使得一些实验周期较长, 不适合作为演示实验的题目顺利进入课堂教学, 另一方面节省的时间留给师生对实验结果以及相关问题进行深入的交流和讨论, 可以有更多的时间开展探究式教学。
4 激发学生兴趣, 培养创新意识
高中阶段的物理课程要给学生提供必要的科学探究机会, 让学生通过自己思维、动手实验、查阅文献等, 体验探究过程的曲折和乐趣, 发展科学探究的能力, 增强对科学探究的理解。[3]传统实验教学过程是教师的讲解和学生的重复, 内容毫无新意, 同时经典物理内容与现代高端的科技手段相脱节, 无法吸引学生兴趣。
与传统实验相比, DIS实验则更加侧重于培养学生的自主探究的能力以及创新意识。利用DIS系统, 设计新颖的实验, 与实际生活联系, 可以让学生在实验中获得成就感, 产生进一步探究的兴趣。[4]例如, 用长导线与微电流传感器相连, 使导线位于东西方向在空中摇动导线, 计算机显示出导线中通有交流电, 这正是由于导线切割磁感线而产生的感应电流。实验中将看不见的地磁场的磁感应线通过计算机数据展现出来, 体现了现代信息技术的高能力。通过看到这个现象还可以让学生进一步改变导线的方向, 通过不同的结论得到地磁场的确切方向, 然后深入到理论的学习。
从以上实例中可以看出, 在物理演示实验教学过程中加入新型的DIS数字化信息系统, 既充分发挥了现代技术对于物理教学中的作用, 还有利于激发学生的学习兴趣, 培养动手能力和操作意识, 可以缩短我国与先进国家实验教学仪器上和教育理念上的差距, 复合我国实验教学改革方向。
参考文献
[1]文林, 李会.基于DIS的超重失重实验研究[J].科技信息, 2013 (21) :47-48.
[2]王劲存, 仲扣庄.用DIS探究影响滑动摩擦力的因素[J].物理实验, 2010, 30 (5) :25-26.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中·物理课程标准 (实验) [M].北京:人民教育出版社, 2003, 56.
[4]杨利平, 浅谈DIS实验系统的应用与学生创造性思维能力培养[J].现代物理知识, 2010, 22 (6) :40-42.
DIS实验系统 篇2
《物理课程标准（实验）》中内容标准共分为三大部分，第一位的就是“科学探究及物理实验能力要求”.把物理实验能力要求作为内容标准的一个独立的主题，物理实验在《物理课程标准（实验）》中的地位是显而易见的.物理实验在学习认知、体现科学观念及科学方法论等方面均能发挥重要作用，基于此《物理课程标准（实验）》大力提倡发挥实验在物理教学中的重要作用.课标建议“尽可能让学生尝试用计算机处理数据，学会用通用软件来简单处理实验数据”同时“还提倡用身边常见的生活器具来做物理实验”.《基础教育课程改革纲要（试行）》明确要求：积极开发并合理利用校内外各种课程资源，教育部在《关于新形势下进一步做好普通中小学装备工作的意见》明确提出鼓励教师自制教具.基于这些文件的理念指导和强烈建议，结合对物理实际教学存在的问题分析，发挥教师立德树人的热情及创造力，在整合自制教具的课程资源与DIS数字信息系统的现代信息技术，定量化收集实验数据、快捷化处理实验数据，可视化显示物理规律上做了一些尝试.现代信息技术与自制教具资源的有机整合，优化了实验教学手段，开阔了学生视野，拓展了学生思维.
1显性化研究物理现象——超重失重现象1.1实验探究的必要性
超重与失重是高中物理中具有典型性与代表性问题之一，但是教材及老师的课堂处理，使学生在学习上没有经历情境探究，知识构建的过程，因此在教学效果上学生对于超重与失重的物理本质内涵存在很多困惑.《物理课程标准（实验）》对此有明确要求：通过实验认识超重与失重.依据超重失重的物理现象的特点，高中学生的认知心理规律及课程标准的理念要求，我们尝试整合DIS系统与自制教具进行实验探究教学.
1.2实验探究
实验器材 DIS系统软件，计算机，无线力传感器，无线加速度传感器，数据采集器及无线接口，自制教具模拟电梯如图1等.
实验操作
（1）按图3示组装实验装置，打开DISLab7.2软件，开启无线加速度、力傳感器开关；
（2）点击软件加速度传感器端口按钮，在加速度实时采集栏中选择Z维度并调零.再选择软件力传感器端口按钮并调零.点击计算表格按钮，将采集间隔调整为0.2 s.
（3）在力传感器下挂上2N砝码，点击自动记录开始按钮，并同时将模拟电梯从最低端静止释放.在模拟电梯完成2-3个周期后，用手停止其运动.
（4）点击绘图按钮，分别作出F-t、a-t图象.（为区别可采取不同颜色标注）
实验结果获得数据如图4，通过绘图得到图像如图5，其中F-t（图线1）、a-t（图线2）
实验结论加速度向上，物体处于超重状态.加速度向下，物体处于失重状态.
注意事项实验前“电梯”需要调整装置水平状态，确保“电梯”在于竖直平面内做一维运动，尽量减小“电梯”与钢柱间的摩擦.调整弹簧上端悬线长度，挑选自制教具中三个弹簧的劲度系数，尽量模拟真实的电梯运行，提高实验的与生活情境的真实接近性，同时，做好运动时的上下缓冲，调节“电梯”振幅，使物理图像可视化较好.DIS系统软件在数据采集时.数据采集时间间隔时间间隔设置为0.2 s为宜.
2定量建构物理概念——磁感应强度B概念
2.1实验探究的必要性
磁感应强度是电磁学的基本概念，也是核心概念之一，它对于“磁场”及其后续知识的学习，都有着关键性的作用.教材通过与电场强度的类比，以比值定义的方法给出了磁感应强度的概念.事实上，学生在学习认知上还是存在很大的困难，对于寻找如何描述磁场强弱和方向的物理量依然存在很多困惑.所以有必要通过实验探究的教学方式进行教学，增强教学的说服力，培养学生的问题意识和证据意识，提升实验探究能力.
2.2实验探究
实验器材DIS系统软件，计算机，力传感器，多抽头自制线圈（如图6），间距可调的自制磁体（如图7），滑动变阻器，学生电源，电键，数据连接线及导
线等.
实验操作
（1）按如图8方式组装实验装置，连接导线和数据线，调试DIS配套软件，
（2）闭合开关，采集数据开始，移动滑动变阻器，改变电流I大小，继续收集数据，断开开关，采集数据结束，如图9.
（3）DIS系统软件以安培力F为纵轴y，电流I为横轴x（通电导线的长度取250匝）作图，线性拟合，如图9.
（4）保持0匝鳄鱼夹接线柱、学生电源电压，滑动变阻器滑片位置等不变，将另一鳄鱼夹依次与50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、300匝，DIS系统软件逐个收集数据.
（5）DIS系统软件以安培力F为纵轴y，通电导线的长度（匝数）为横轴x作图，线性拟合.最后引导学生观察分析，建构磁感应强度B的概念.
实验结果获得的实验数据如图9，DIS系统软件作图线性拟合的物理图像如图10（此图9、图10为在2015年安徽省中小学实验说课比赛活动中现场的实验数据和图像）.
实验结论磁场中通电导线受力F与电流I和长度L的乘积IL成正比.
注意事项多抽头自制线圈如图6选用的漆包线直径不宜过大，抽头处电焊焊接不能是虚焊，绕制完成后要用棉线将线圈扎牢固，防止通电时导线排斥，影响平衡.线圈受力的一边实验前要调制平直，实验时放置在间距可调磁体如图7的平口出切与磁体平行.DIS系统软件采集数据时的采集频率设置成20 Hz，不宜过高.
在可视化建立物理规律上，譬如自制实验教具资源与DIS中光电门的整合，可视化建立机械能守恒定律；自制多匝线圈资源与DIS微电流传感器的整合，可视化建立法拉第电磁感应定律等也可以有一些富有创意和效果优秀的教学尝试.
3实验评价及教学主张
DIS数字信息系统使实验数据收集快捷化，图像绘制拟合使物理规律显性化、直观化，有利于建构物理观念和培养提高实验探究能力.实验模拟生活中电梯这一工具，使物理教学更加亲切可感；自制多匝抽头的线圈使叠加原理和微小量放大的实验思想更易于理解，有利于培养物理科学思维.DIS数字信息系统的实际课堂使用，尤其是最先进的器材——无线传感器和最新版本的配套软件，是物理教学更具时代性；实验资源的自创，体现出教学的创造性，有利于培养学生的新时代创新精神和实验探究能力，培养时代意识与责任.因此，DIS数字信息系统与自制实验教具深度整合做定量实验，用多种方式收集数据，优化实验教学效果，有利于培养、提高学生的物理学科核心素养.
DIS实验系统 篇3
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。
摘要：DIS数字化信息系统实验室简介及其在初中物理八年级第一学期第一章声现象的演示实验中的应用, 使学生能直观、定量地观察实验现象, 加深对声音的波形、声音的特性以及噪声的理解。
关键词：DIS系统,声学演示实验
参考文献
[1]朗威数字化信息系统实验室V5.0DISLab用户手册.
DIS实验系统 篇4
人类随着知识的积累和应用，科技水平也得到了迅猛的发展。人类迎来了三次科技革命：第一次是以蒸汽机的应用为代表的蒸汽工业革命；第二次是以电力及内燃机使用为标志的第二次工业革命；第三次工业革命，我们正在进行着，即以计算机和传感器的应用的自动化工业革命。这是一次人类的自动化进程，将彻底解放人类的双手和双脚，以及部分的大脑。我们及我们的学生是第三次工业革命的生力军，在学习成长的过程中要将计算机及传感器的应用的自动化思想融入他们的血液中去。只有这样，他们才能在科学创造上拥有最先进的武器。DISLab（数字化信息系统实验室）就是这样一个半自动化的实验室，可以利用计算机软件及传感器进行科学实验探究。试想如果学生在平时的实验探究过程中就开始了潜移默化的自动化教育，那么不仅可以在科学探究实验中注入了新的思维，更可以培养学生高新技术的创造思维。也只有这样学生在未来的创造中才能走在时代的最前列。
2物理科学探究需要DIS这位新成员
传统的物理探究实验魅力依然无限，让很多懵懵懂懂的大脑突然豁然开朗。传统实验培养学生的动手能力，对实验仪器适用规范能力，处理数据的能力，观察能力等。传统的物理探究实验就像是一位英雄的老者，魏然屹立，谆谆教诲。然而我们也看到了一些不足之处。比如，数据不够精确，可视效果差，器材自身的局限性和拓展性不够强，数据处理效率低等问题。相比之下在很多情况下DISLab可以做得更好些。比如数据的精确度高，力的大小就可以精确到小数点后第4位；自动数据记录功能，可以按我们的想法在多久时间进行一次数据采集；示波功能可以时时显示数据的变化；强大的数据处理功能，可以很快地画出数据图像，还可以进行图像的比较分析等等。不仅如此，还有很好的可视性，为演示实验添光加彩。当然DISLab还有很好的拓展性，可以进行定量分析，可以自行设计表格，设计公式计算等功能。试想如此多的好处，我们怎么可以丢之不用呢？所以物理探究实验室非常需要DISLab这位新成员。
3教育改革需要DIS参与
科学教育的宗旨在于培养适应社会发展的科技人才。初中物理为科学教育的启蒙阶段，启发学生的创造性思维是科学教育的重要内容之一。我们知道创造性思维的培养是在科学探究这块土壤完成的。土壤的好坏直接决定了成果好坏。我们给学生的是传统实验器材，那么他们就会随着这些器材进行创造。如果我们给予的是电脑计算机和传感器，那么他们能够紧跟社会发展步伐。素质教育是要走在社会的前方的，我们培养的人才必须走在社会的最前沿。当今社会已经开始迈入半自动化及自动化的过程，然而我们的探究实验还停留在小米加步枪的时代，不能不说这是一种教育与科技的脱节。所以在教育改革如火如荼的今天如果科学实验还没有得到很好的发展也是教育改革的一大缺陷。
DIS（数字化信息系统）在未来的科学探究教学中势必将与传统实验探究相融合，传感器、计算机、传统实验器材将相辅相成，为人类教育发展续写辉煌。
4DIS的课堂实践案例
4。1DIS探究响度和音调与什么因素有关
音调的高低和响度大小虽然可以通过听觉来区分，但是要让学生探究音调与振动的快慢关系，响度与振动幅度的关系。我们以前是用尺子的振动来完成实验探究的，这两个实验做起来可视性和效果都不怎么好，而且还容易造成概念混淆。用DISLab则可以通过采集振动图像，然后对图像进行比较，让学生从视觉上认识响度和音调。进而理解响度、振动幅度、音调频率之间的关系。
课堂实录：
实验器材：420 Hz音叉、720 Hz音叉、声音传感器、数据采集器、DIS软件、教室多媒体、固定支架等。
实验过程：
（1）固定音叉和传感器距离，敲击420 Hz音叉，采集数据并保存图片1。
（2）固定音叉和传感器距离，重重敲击420 Hz音叉，采集数据并保存图片2。
结论：比较图片1、2发现振幅越大声音越大
（3）固定音叉和传感器距离，敲击720 Hz音叉，采集数据并保存图片3。
结论：比较1、3图片发现第二次音调高波形密集。说明音调与振动的快慢有关。
[TP6CW31。TIF，BP#]
4。2DIS探究相互作用力的大小关系
我们通过生活例子及实验都很容易得出力的作用是相互的规律。可是相互作用力的大小关系，用两个弹簧测力计做演示实验的可视性就非常的不好。只能靠讲授，学生无法得到实验的结论。DISLab可以把力传感器受到的力的大小直接时时显示在屏幕上。而且通过示波功能可以画出力的曲线图，从而可以通过两个力的曲线图来比较相互作用力的大小关系。
[TP6CW32。TIF，BP#]
实验器材：力传感器2个、DIS软件、数据采集器等。
实验过程：
（1）力学传感器校零（图4）。
（2）开启示波功能，将两传感器对拉，并采集示波图像。
（3）利用镜像功能对两条力曲线镜像，发现可以重合（图5）。
[TP6CW32。TIF，BP#]
结论：相互作用力的大小相等，方向相反。
4。3DIS探究滑动摩擦力的因素
在传统的实验方式探究滑动摩擦力的大小因素过程中存在几个问题：（1）如果在实验室做这个实验，那么实验的可视性就非常的不好，只有实验者才能看得到，其他同学根本看不到过程；（2）在拉动物体滑动过程中很难做到匀速直线运动；（3）拉动弹簧测力计的同时还要读数是比较困难的，而且很难做到数据准确，我们只能说大概。
DISLab能够很好地解决以上问题：（1）传感器可以实时地记录力的大小，并且显示在屏幕上；（2）用电动马达可以做到匀速直线运动。
实验器材：DIS摩擦力实验仪、力传感器1个、数据采集器、DIS软件等。
实验过程：（1）如图6组装好DIS摩擦力探究仪，并设置记录时间为0。2 s记录一次。
[TP6CW33。TIF，BP#]
（2）打开电动机电源，点击记录数据，得到第一组数据并保存。
（3）改变接触面的压力大小再重复以上实验，得到第二组数据。
（4）对比一、二两组数据就可以得出滑动摩擦力大小与压力有关。
（5）改变接触面的粗超程度，打开电动机电源，点击记录，得到第三组数据。比较一、三两组数据即可得到滑动摩擦力大小与粗糙程度有关。
（6）改变接触面的面积，重复步骤1实验，得出第四组数据。
（7）改变电动机的转动速度，重复步骤1步骤，得出第五组数据。
（8）得出结论滑动摩擦力大小与接触面积和运动速度无关。
DIS实验系统 篇5
电磁学对于学生来说,本来就由于缺少生活中的体验而显得较为陌生,更何况是抽象较难理解的法拉第电磁感应定律——磁通量是无法直接观察到的,磁通量的变化快慢也就更难理解了,因此学生在学习中觉得困难是很自然的。新教材尝试在这部分内容中引入DIS探究实验,帮助学生从较直观的实验现象入手,通过感受体验来逐渐掌握抽象的物理规律。
一、上海新教材目前的处理方法
新教材中采用的实验方案为:让装有磁铁和挡光片的小车以不同的速度靠近螺线管,途中经过一光电门传感器,可记录挡光时间△t,电压传感器记录此段时间螺线管中感应电动势的平均值E。通过利用小车末端的弹簧将小车以不同的速度从轨道的最右端弹出,就能得到一系列的感应电动势的平均值E和时间△t。然后将记录下的数据在中描点连线,得到一条基本过原点的直线。由于每次小车靠近过程中,螺线管中磁通量的变化量Δφ都相同,因此教材得到了E和成正比的结论(实验装置见图1)。
该实验有一定的缺陷:(1)该实验无法揭示感应电动势与磁通量变化之间的关系;(2)该实验采用控制变量法,只能分别说明感应电动势与时间、磁通量的变化量之间的大小关系,而磁通量变化率作为一个整体,如果生硬地将两个物理量拆开研究,不利于对物理本质的理解;(3)该实验的实验情景仍为切割,因此在揭示感生电动势时,即法拉第电磁感应定律描述的基本对象,仍有张冠李戴之嫌。
二、新实验仪器的探索和改进
1. 对新实验的初步设想
在初步实践后,我发现在实施探究实验中还遇到了一个难点——让学生猜想哪些因素会影响感应电动势的大小。因为学生在上此课前,已学习过“导体切割磁感线产生的感应电动势”的相关知识,因此在猜想“有哪些因素会影响感应电动势的大小”时,比较容易猜想导体运动的速度、磁感应强度等因素,很难联想到磁通量,更不用说磁通量的变化以及磁通量的变化快慢。先入为主的印象造成了学生对新问题的探究障碍。为解决这一问题,并根据对现行教材中实验的分析,我在教学设计时初步有了以下的设想:
(1)实验首先应排除导体切割的情况,无论是定性实验还是定量实验都应创设磁场强弱随时间变化的情景,帮助学生将感应电动势的大小与磁通量的变化快慢直接联系起来,排除“速度”对所研究问题的干扰;(2)在实验中,不将磁通量的变化与时间分开进行测量,而是抓住磁通量的变化快慢进行整体研究;(3)磁通量的大小虽无法直接测量,但可通过磁传感器测量磁感应强度,将测磁通量的变化快慢转化为测磁感应强度的变化快慢,这样既不影响对物理本质的理解,同时又具有可操作性。
2. 对实验方案的初步探索
在整个研究过程中,新教材主编张越老师给予我全面的指导和帮助。他在听了我的第一次试讲后,发现学生纠缠于切割与感生两种情况,如果没有直切主题的实验,知识的建立过程始终会发生逻辑的混乱,更不用说之后还要讨论和E=NBLv两者之间的关系。于是,在课后他向一起来听课的冯容士老师提出了设计新实验的要求和设计思路,得到了冯老师和陈开云老师的支持。陈开云老师在了解了我对实验的初步设想后,要求我用图线描绘出最终希望得到的结果。在我将画好的两根相关的Φ-t和E-t图线发给陈老师后的两天,陈老师给我传来了他做好的实验图线,该图线和我要求的实验结果几乎完全相同(见图2)。图中的B-t图线表明了磁场随时间先逐渐增强,后保持不变,最后突然减小;由此感应产生的感应电动势如E-t图线所示,当磁场强弱不发生变化时,不产生感应电动势,前后两段时间的B变化大小相同,△t越小,产生的E越大。这些图线充分说明了感应电动势的大小与磁感应强度的变化快慢有关,从而将物理量的变化快慢进行了整体的体现。
实验装置:实验采用可调节电流大小的学生电源给一个螺线管供电,使该螺线管内的磁场发生变化,放置在螺线管之上的一个小线圈因而产生电磁感应现象;与小线圈相连的电压传感器可记录下产生的感应电动势大小随时间的变化情况,即E-t图线;将一个磁传感器的探头插入螺线管内,可记录下螺线管内磁感应强度随时间的变化情况,即B-t图线。
这一实验装置简单,原理便于向学生说明,而且实验中产生的感应电动势完全是由磁场强弱变化引起的,摒弃了由于导体切割产生的电磁感应现象,便于直接说明问题,在课堂教学中能产生较好的效果。
3. 实验仪器的后续改进和完善
(1)在目前的实验仪器中,是由人手控制改变原电流的大小,由此变化产生的感应电动势大小变化剧烈。若改由机械控制输入电流大小变化,可控制其均匀变化,这样感应产生的电动势应该就是恒定的了,不仅易于观察理解,而且可以进行定量测量。
(2)若能定量测量产生的感应电动势E的大小以及磁感应强度的变化快慢,将实验数据用图像进行进一步研究,则离得到法拉第电磁感应定律就非常接近了。
带着这些改进意见,研发中心的教师们进行了研发,基本达到了理想的实验效果。目前,学生电源已能做到输出梯形、锯齿形、曲线等多种变化规律的电流,从而产生实验所需要的磁感应强度变化。
该实验仍有一个缺憾,就是线圈面积还无法改变。若能保持相同的,改变线圈面积,并测量出线圈面积改变后产生的感应电动势大小,得到E和S的定量关系,那么这样对定律的实验说明才是完整的。目前,实验装置和软件仍在进一步的修改完善中。
三、教学结构的改进处理
在确定了教学的主要内容是建立在探究实验基础上的规律学习之后,我根据张越老师、陆伯鸿老师的建议,对教学内容的组织结构做了相应的调整。
首先是引入实验的精心选择,我将一个线圈放在电磁炉上,线圈与一个40W的白炽灯泡相连,当打开电磁炉后,白炽灯泡发光。这一实验作为情景引入的优点有四:一是白炽灯泡发光强烈,实验现象明显,有很好的震撼效果;二是该电磁感应现象中没有导体切割运动,因此在后面引导学生猜想感应电动势大小与哪些因素有关时,排除了运动速度的干扰;三是从该实验出发,请学生先复习产生电磁感应现象的条件,然后进行猜想,再引导学生猜想感应电动势大小与磁通量变化之间有关系就显得较为自然;四是之后的探究实验的实验装置仍是由变化的磁场产生电磁感应现象,引入实验与探究实验情景相似,便于理解迁移。
其次是在完成实验探究法拉第电磁感应定律之后,我根据定律推导得出导体切割磁感线时感应电动势的计算式,让学生在推导过程中感受和E=BLv两者之间的关系,并理解平均感应电动势和瞬时感应电动势的区别。然后,还可通过定量硷证(该仪器装置也是研发中心的一个创新,本文中不做详细介绍),从而弥补拓展教材I中学习该部分知识时纯理论推导的缺憾。当然这部分内容也可根据课时调整放在下一节课中学习。
DIS实验系统 篇6
一、DIS实验在高中物理教学中的应用
DIS实验对高中物理教学有较大的作用, 主要就是具体化抽象概念, 将之前无法进行具体操作的实验能够具体进行, 学生能够实际接触这些实验, 从而加深对这些知识的理解, 提高学生探索的积极性, 对进一步促进学生自我学习能力的发展较为有利。DIS实验在高中物理教学中存在一些不足, 主要来源于DIS实验的性质、 设备以及教学理念, 导致在实验过程中忽略其他部分的影响以及其他能力的发展, 对进一步提升高中物理教学质量有不利的影响。
1.过于依赖计算机, 忽略传统实验方式
DIS实验是一种利用数学化信息系统获取以及处理实验数据的实验, 能够实际提升实验效率, 加快实验进程, 有较大的发展空间以及发展价值, 但是在实际的使用过程中存在较多不足之处, 为使其发挥实质性的作用, 就需要进行全面的探究。通过对DIS实验在高中物理教学中的应用发现, DIS实验过于依赖计算机、依赖相关程序, 忽略学生的实际操作能力以及学生的数据处理能力, 造成的后果是学生在DIS实验操作过程中形成只靠计算机进行的模式, 不利于学生对物理知识的进一步理解。
2.程序更新过快, 数据处理以及储存不稳定
DIS实验在应用过程中的另一个问题是程序更新过快, 计算机中数据处理程序以及数据获取程序的更新换代过快, 主要目的就是适应不断增加的数据种类以及不断复杂的处理方式, 这一情况会造成数据处理的不完整性, 有些基本数据处理程序出现掩盖的现象, 数据储存出现相应问题。
3.计算机结果理想化, 影响学生的思考方式
DIS实验的一个主要的特征是展示的数据是理想化数据, 简单来说就是在实际环境中不可能达到的结果, 这对学生的思维方式产生相应影响, 让学生认为这是实验处理的真实结果, 这一概念一旦产生很难改变, 对下面与之相关知识的学习造成一定的阻碍。
二、DIS实验在高中物理教学中的优化应用及有效性研究
1.DIS实验与传统实验有机结合
DIS实验在高中物理教学中的优化应用的措施之一就是结合传统实验, 具体操作就是教师设计相应实验, 让学生进行实际操作, 对无法人工获取的数据, 由计算机获取, 如瞬时速度的测定实验, 数据的处理由学生自己进行, 这样一来既能培养学生的实验能力, 以及保证学生的计算能力, 也通过实际参与, 加深学生的印象以及保证学生的实验积极性, 通过实际接触使学生更为深刻地理解相关知识。
2.DIS实验与教材内容同步
DIS实验效果提高的另一个措施就是让DIS实验内容与高中物理教学内容相统一, 具体操作就是教师在适宜进行DIS实验板块的教学过程中, 首先进行该块知识的提点, 让学生进行实际操作, 学生通过理论学习以及实践操作, 加深对相关知识的记忆, 并且通过实际操作加深对这一块知识的剖析兴趣。
3.DIS实验给予学生自主探索的空间
DIS实验系统 篇7
一、用位移传感器结合DIS系统获得即时变化的位移时间图图像类的试题将可能大量涌现
1.由常DIS系统获得s-t图像。
例1. (原创题) 如图物块自曲面滑到底部的水平向左的速率为V0, 固定在传送带右端的位移传感器纪录了小物块滑到传送带上后的位移随时间的变化关系如图2所示 (图象前3s内为二次函数, 3~4.5s内为一次函数, 取向左运动的方向为正方向) 。已知传送带的速度保持不变, g取10 m/s2。
A.传送带的速度v的大小为1m/s, 方向向左
B.物块先向左匀减速, 与带等速后, 共同匀速运动
C.前两秒内物块的平均速度为2m/s
D.传送带的速度v的大小为4m/s, 方向向右
【答案】BC正确, 解析略。
2.雷达测距模型。
电磁脉冲从雷达发出到被物体发射回来所用时间的一半乘以电磁波速度即可求得物体反射电磁脉冲的瞬间的空间位置, 此过程中电磁脉冲是双程的。
例2. (位移传感器、超声波测速) 如图甲所示是一种位移传感器的DIS系统工作原理图, 在这个系统中B为一个能发射超声波的固定小盒子, 工作时小盒子B向被测物体发出短暂的超声波脉冲, 脉冲被运动的物体反射后又被B盒接收, 从B盒发射超声波开始计时, 经时间△t0再次发射超声波脉冲, 图乙是连续两次发射的超声波的位移—时间图象, 则下列说法正确的是 ( )
A.超声波的速度为
B.超声波的速度为
C.物体的平均速度为
D.物体的平均速度为
答案:A D【解析】略
3.电闪雷鸣测云距模型。
闪电与雷声是同时发出的, 由于光速大, 从闪电处发出的光传到接受者的时间可忽略, 从看到电闪到听到雷声的时间就认为是声音传播的时间, 故用此时间乘以声速, 即是云层到接受者的距离。
例3. (位移传感器、红外线超声波测速) 如图是一种DIS系统的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成, A盒装有红外线发射器和超声波发射器, B盒装有红外线接收器和超声波接收器。A固定在被测的运动小车上, B固定在桌面上。第一次测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲, B盒收到红外线脉冲时, 开始计时 (t1时刻) , 收到超声波脉冲时计时停止 (t2时刻, 红外线的传播时间可以忽略) , 两者的时间差为△t1=1s ;经过△t=10s时间, 再进行第二次测量时, 两者的时间差为△t2=1.5s ;设 :空气中的声速为340m/s, 以B盒接收超声波的孔为坐标原点, 向右为坐标轴正方向。问:
(1) 第一次B盒接收到超声波时, A盒超声波发射孔的坐标X1=___m
第二次B盒接收到超声波时, A盒超声波发射孔的坐标X2=____m。
(2) 该小车的运动速度v=___m/s, 小车的运动方向是____ (远离B盒或靠近B盒)
(3) 用此方法求得小车的速度比真实的速度偏___ (填写“大”或“小”)
理由是 :___。
答案: (1) 340m ;510m ; (2) 170m ; (3) 17m/s ; (4) 因为忽略了红外线传播的时间, 使得t小于实际时间, 测得的距离小于真实的距离, 所以速度偏小。
【解析】略。
【点评】注意例1和例2的相同点和不同点, 在例1中, 超声波的传播时间不可忽略, 脉冲被运动的物体反射后返回的过程中, 车继续前行, 当脉冲又被B盒接收时, 车已经又前进了一段位移, 记录的时间是超声波往返的双程时间, 这段双程时间的一半时刻处, 恰为超声波与车相“碰”的时刻, 类似雷达测速过程, 故将此过程称为雷达测速。而例2中红外线和超声波同时发出, 由于红外线速度极大 (光速) , 传播时间可忽略, 因此超声波的传播时间就是从接收器收到红外线到收到超声波的时间, 恰似闪电雷声测云层距离的模型。
二、DIS实验实时监测电流、电压等随时间的变化为命题素材 (在电磁学中的应用)
1. DIS与高电阻组合测电容。
例4. 某小组在用DIS实验测电容的电路如图所示。电源电动势E=8V, 电阻R与一个电流传感器相连, 传感器可以将电路中的电流随时间变化的曲线显示在计算机屏幕上, 先将S接2给电容器C充电, 再将S接1, 结果在计算机屏幕上得到如图所示的曲线, 将该曲线描绘在坐标纸上 (坐标纸上的小方格图中未画出) , 电流坐标轴每小格表示0.1mA, 时间坐标轴每小格表示0.1s, 曲线与AOB所围成的面积约为80个小方格。则下列说法正确的是
A.该图像表示电容器的充电过程, 点的坐标乘积表示此时电容器已放掉的电荷量
B.电源给电容器充电完毕时, 电容器所带的电荷量约为8×10-4C
C.电容器的电容约为10-4F
D.若放电开始时的电流是20mA, 则电阻R的估计值40欧;阻值变大时, I-t图像的面积变大, 放电时间减小
答案:B C
【解析】将S接1后, 电容器通过电阻放电, I-t图象下面的面积表示所放的总电量, 也等于电容器充电后的总电量, 电荷量约为8×10-4C故A错, B对 ;电容等于电量与电压的比值, 大小为10-4F, C对 ;若放电开始时的电流是20mA, 则电阻R的估计值400欧 ;阻值变大时, I-t图像的面积不变, 放电时间延长, D错。
2.DIS系统实时监测电流、电压, 在闭合直流电路动态分析中的应用。
例5.如图所示, R1、R2为定值电阻, R3为滑动变阻器。3个电阻采用如图 (a) 方式接在电源上, 已知R1=3Ω、R2=12Ω。现利用电压传感器 (相当于理想电压表) 和电流传感器 (相当于理想电流表) 研究R3上的电压与电流变化关系, 任意滑动R3上的滑片, 通过数据采集器将电压与电流信号输入计算机后, 在屏幕上得到的U-I图像为如图 (b) 所示的一条直线 (实际测得的数据只能在实线范围内) 。下列说法正确的是 ( ) 。
A.电源的电动势和内电阻分别为E=6V和r=1Ω
B.电源的电动势和内电阻分别为E=4.5V和r=3Ω
C.R3的最大阻值为3Ω
D.R3的最大阻值为6Ω
【解析】电压传感器相当于一个理想电压表, 电流传感器相当于一个理想电流表, 由b图知R3=0时, 电流传感器测的是短路电流, 即故E=1.5 (3+r) , R3的阻值最大时, 电压为3V, 对应的电流表电流为0.5A, 故R3的最大阻值为6Ω, R3→∞时, 电流为0, 电压传感器测的是R2两端的电压, 即解得电源的电动势和内电阻分别为E=6V和r=1Ω, 选项AD正确
【点评】在DIS实验中不需人工测量, 减少了测量的偶然误差、甚至还能够实时监测到瞬间变化的电流、电压等。在备考中, 我们只需将电路中的传感器看做对应的仪表即可, 如电流传感器, 看做理想电流表 (内阻为0) , 电压传感器看做电压表 (内阻为无穷大) 等。
三、注意传感器在DIS实验中的连接方法
例6.霍尔元件可以用来检测磁场及其变化。图甲为使用霍尔元件测量通电直导线产生磁场的装置示意图, 由于磁芯的作用, 霍尔元件所处区域磁场可看做匀强磁场。测量原理如乙图所示, 直导线通有垂直纸面向里的电流, 霍尔元件前、后、左、右表面有四个接线柱, 通过四个接线柱可以把霍尔元件接入电路。所用器材已在图中给出, 部分电路已经连接好。为测霍尔元件所处区域的磁感应强度B。
(1) 霍尔元件所在处的磁场方向为___ (填“向下”或“向上”) , 图乙中电流传感器所连接的“A设备”, 你猜应该是___ (填“电力表”、“计算机”或“其他”)
(2) 制造霍尔元件的半导体参与导电的自由电荷带负电, 电流从乙图中霍尔元件左侧流入, 右侧流出, 霍尔元件___ (填“前表面”或“后表面”) 电势高。
(3) 在图中画线连接成实验电路图。
(4) 已知霍尔元件单位体积内自由电荷数为n, 每个自由电荷的电荷量为e , 霍尔元件的厚度为h为测量霍尔元件所处区域的磁感应强度B, 还必须测量的物理量有___ (写出具体的物理量名称及其符号) , 计算式B=___
(5) 电压表的读数与电流传感器测出的电流的比值是霍尔元件的电阻吗?
【解析】详解略, 答案 (1) 向下, 计算机 (2) 前表面 (3) 如图所示 (4) 电压表示数U, 电流传感器示数I
【点评】DIS系统是由传感器和计算机等构成的。电流传感器完全可等价成一个电流表。
另外, 由DIS获得的F-t图像、a-t、U-t图像、B-t图像B-t图像等等, 将原来不可能获得的物理图像通过计算机都可以显示出来, 这大大丰富了命题的条件素材。
四、教育启示
1.树立超前意识, 重视“DIS实验”。
鉴于DIS实验在物理中的应用体现了信息技术在实验中的渗透, 体现了实验试题的时代性, 因此新高考对此类问题不会轻易放过, 望及早引起重视, 进行自觉的选题练习。此类问题在高考命题中预计应该“谨慎地渗透”。原因是通过“渗透”, 敦促中学加快数字化实验室建设, 重视数字化实验 ;之所以说“谨慎”, 是考虑到我国各地经济发展不平衡, 部分落后地区一时可能还实现不了“实验室的数字化建设”。但是实验技术现代化是大势所趋, 高考应该重视它, 其实2014年全国课标I卷的第22题就是这方面的一个信号。也建议普通高中根据实际情况, 着手数字化物理实验室的建设和“DIS”在教学中的落实。
2.整合“DIS实验”资源, 与研究性学习相渗透。
对于教材中所渗透的“DIS试验”资源, 教师要有意识地引导学生进行课题探究或研究性学习, 这样可以打破“深度”和“广度”的限制, 让学生能够自主地进行研究, 提高研究能力, 培养创新能力。