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物理学是以实验为基础的一门学科,在信息化迅速发展的今天,信息技术与物理实验教学的整合显得尤为重要。数字化信息系统(Digital Information System,简称DIS)实验室,可使物理实验教学焕然一新。笔者有幸接触到DIS实验室,并用它完成几个实验,下面谈几点体会。
1 DIS简介
DIS是由计算机、配套软件、数据采集器、一系列传感器和常规实验仪器构成的新型实验系统。传感器有压力传感器、距离传感器、时间传感器、温度传感器、电流传感器、微电流传感器、电压传感器、电磁感应传感器、光照度传感器等多种,它是将非电学量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照强度等)转化成易于测量、传输、处理的电学物理量(如电压、电流、电阻、电容)的一种元件,即非电物理量→传感器→电学量。它是感知、获取和检测信息的窗口,全系列的物理量传感器的功能超越了电压表、电流表、数字毫秒表、温度计、测力计、压强计、光强计、磁强计、声响计、测距仪等传统测量仪器。DIS通过多种专用传感器与数据采集器相配合完成相关物理量的采集、处理,然后上传到计算机,由实验专用教学软件进行实时处理分析,形象、直观地表达出实验结果。
2 DIS在物理实验中的优势
2.1 数据采集的优势
DIS的各种传感器灵敏度较高,采集数据的频率可随意选择。对于那些运动过程非常快的实验(如自由落体运动、电磁感应等),用传统方法不能实时采集到数据,而DIS则完全可以实现,学生可在大屏幕上随时看到采集到的某些物理量的实验数据及其与其他量的变化关系。
例如在电磁感应现象的研究中,当条形磁铁迅速插入或迅速拔出螺线管时,观察、测量产生的感应电流的大小,若用传统的实验方法,即将灵敏电流计与螺线管组成闭合回路,只能看到表针摆到某一刻度,再迅速回摆到0刻度;若用DIS完成该实验,使用微电流傳感器,不仅能采集到各瞬时感应电流的大小、方向,还能看到感应电流随时间的变化关系。实验图线如图1所示。
2.2 增大实验可见度的优势
有些实验用传统仪器进行时可见度很小,实验测量的直观性受到影响。DIS在该方面存在较大的优势。例如,传统的温度计、电流表、电压表、测力计其可见度均比较小,若改用DIS的温度传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器进行实验,采集到的数据实时地显示在屏幕上,全班学生均能看到实验数据,大大提高实验的可见度。如图2所示为“摩擦力做功改变内能”的实验图线。
2.3 迅速处理数据的强大优势
有些实验在数据处理方面需要进行繁琐的计算,如牛顿第二定律、单摆、机械能守恒、动量守恒等实验,若用传统实验方法进行实验,都需要繁琐的计算才能得到实验规律;若用DIS系统中应用的实验模板,完全可以解决计算问题,只要实验完毕,实验处理随时进行,实验规律马上得到。如表1和图3、图4所示是“单摆”实验的数据和图像。
3 DIS在物理实验方面的缺陷
1)实验者在进行实验之前,必须花费较长的时间熟悉DIS系统软件的使用方法,才能熟练地完成传感器的设置、数据采集、数据分析、实验结果的保存等工作,确保实验的顺利完成。
2)由于DIS可自动完成数据的采集、处理过程,无形中剥夺了实验者一些操作的机会,不利于学生实验动手能力、数据处理能力的培养。
1 DIS简介
DIS是由计算机、配套软件、数据采集器、一系列传感器和常规实验仪器构成的新型实验系统。传感器有压力传感器、距离传感器、时间传感器、温度传感器、电流传感器、微电流传感器、电压传感器、电磁感应传感器、光照度传感器等多种,它是将非电学量(如位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照强度等)转化成易于测量、传输、处理的电学物理量(如电压、电流、电阻、电容)的一种元件,即非电物理量→传感器→电学量。它是感知、获取和检测信息的窗口,全系列的物理量传感器的功能超越了电压表、电流表、数字毫秒表、温度计、测力计、压强计、光强计、磁强计、声响计、测距仪等传统测量仪器。DIS通过多种专用传感器与数据采集器相配合完成相关物理量的采集、处理,然后上传到计算机,由实验专用教学软件进行实时处理分析,形象、直观地表达出实验结果。
2 DIS在物理实验中的优势
2.1 数据采集的优势
DIS的各种传感器灵敏度较高,采集数据的频率可随意选择。对于那些运动过程非常快的实验(如自由落体运动、电磁感应等),用传统方法不能实时采集到数据,而DIS则完全可以实现,学生可在大屏幕上随时看到采集到的某些物理量的实验数据及其与其他量的变化关系。
例如在电磁感应现象的研究中,当条形磁铁迅速插入或迅速拔出螺线管时,观察、测量产生的感应电流的大小,若用传统的实验方法,即将灵敏电流计与螺线管组成闭合回路,只能看到表针摆到某一刻度,再迅速回摆到0刻度;若用DIS完成该实验,使用微电流傳感器,不仅能采集到各瞬时感应电流的大小、方向,还能看到感应电流随时间的变化关系。实验图线如图1所示。
2.2 增大实验可见度的优势
有些实验用传统仪器进行时可见度很小,实验测量的直观性受到影响。DIS在该方面存在较大的优势。例如,传统的温度计、电流表、电压表、测力计其可见度均比较小,若改用DIS的温度传感器、电流传感器、电压传感器、压力传感器进行实验,采集到的数据实时地显示在屏幕上,全班学生均能看到实验数据,大大提高实验的可见度。如图2所示为“摩擦力做功改变内能”的实验图线。
2.3 迅速处理数据的强大优势
有些实验在数据处理方面需要进行繁琐的计算,如牛顿第二定律、单摆、机械能守恒、动量守恒等实验,若用传统实验方法进行实验,都需要繁琐的计算才能得到实验规律;若用DIS系统中应用的实验模板,完全可以解决计算问题,只要实验完毕,实验处理随时进行,实验规律马上得到。如表1和图3、图4所示是“单摆”实验的数据和图像。
3 DIS在物理实验方面的缺陷
1)实验者在进行实验之前,必须花费较长的时间熟悉DIS系统软件的使用方法,才能熟练地完成传感器的设置、数据采集、数据分析、实验结果的保存等工作,确保实验的顺利完成。
2)由于DIS可自动完成数据的采集、处理过程,无形中剥夺了实验者一些操作的机会,不利于学生实验动手能力、数据处理能力的培养。