計算機數(shù)據(jù)采集技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用
——以有關(guān)綠色能源實驗為例

譚國鋒

(杭州第二中學(xué)浙江 杭州310053)

摘 要：介紹并論述了PASCO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高中物理課程教學(xué)中的應(yīng)用，包括在太陽能電池光電特性、法拉第定律和電解槽的電解效率等方面的實驗研究.

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集課堂教學(xué)傳感技術(shù)

收稿日期：(2014-12-01)

1引言

教育部《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見(教高〔2014〕4號)》明確指出課程改革要增強時代性，充分體現(xiàn)先進的教育思想和教育理念，學(xué)習(xí)內(nèi)容要符合學(xué)生不同發(fā)展階段的年齡特征，緊密聯(lián)系學(xué)生生活經(jīng)驗[1].

本文介紹一種基于計算機數(shù)據(jù)采集與傳感技術(shù)的綠色能源實驗，把基于計算機數(shù)據(jù)采集的“大數(shù)據(jù)”與“傳感器”技術(shù)用于高中物理教學(xué)中，使學(xué)生對電學(xué)、光電效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)化有更全面的認識，加強學(xué)生對物理與生產(chǎn)、生活實際和科技發(fā)展聯(lián)系的認識，從而引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進一步提高學(xué)生的實驗技能和創(chuàng)新能力，符合新時期課改的要求[2].

2實驗原理與方法

2.1PASCO系統(tǒng)簡介

PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集口、利用電腦進行控制和數(shù)據(jù)采集的實驗系統(tǒng)，裝置如圖1所示.其數(shù)據(jù)取樣率最大可達10 M，可以實時測量一些瞬態(tài)變化的物理量，以便實時監(jiān)控；現(xiàn)有傳感器120多種；實驗數(shù)據(jù)采集處理平臺，包括數(shù)據(jù)、圖表、視屏顯示、擬合、FFT工具、實驗數(shù)據(jù)過程回放、視屏分析處理、實驗日志等[3，4].

圖1　PASCO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2實驗原理

綠色能源實驗系統(tǒng)由太陽能電池板、電解槽、燃料電池、用電器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.其基本原理是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，通過質(zhì)子膜電解槽來電解去離子水，將水電離成氫氣和氧氣，將氫氣和空氣在燃料電池中進行化學(xué)反應(yīng)從而進行電能輸出.同時也可直接將太陽能電池板用作電源給負載供電.實驗采用“排水集氣法”收集電解水所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，更生動直觀，而且更注重氣體的回收利用.

圖2　綠色能源存儲系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)構(gòu)框圖

2.3實驗裝置

新能源實驗裝置如圖3所示.實驗可做內(nèi)容有太陽能電池板的性能測試、電解槽的電學(xué)性能測試、電解水效率的測試、燃料電池的電學(xué)性能測試、太陽能電池板供電實驗等.數(shù)據(jù)采集與處理采用PASCO系統(tǒng)，因為傳統(tǒng)的物理測量方式更適合工業(yè)時代的需要，而現(xiàn)在已經(jīng)是信息時代了，大數(shù)據(jù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已真正相結(jié)合，PASCO系統(tǒng)的融入有利于學(xué)生學(xué)習(xí)“大數(shù)據(jù)”的概念[5,6].

圖3　太陽能氫氧燃料電池實驗裝置圖

3PASCO綠色能源綜合測試

3.1太陽能電池板的電學(xué)特性實驗

通過改變光源與太陽能電池板間的距離，觀察太陽能電池板的光電流和空載電壓(即電池電勢)隨光源與太陽能電池板距離的變化而變化.太陽能電池板的電學(xué)特性實驗數(shù)據(jù)如圖4和圖5 所示.

圖4　光電流隨光照距離的變化

圖5　太陽能電池電勢隨光照距離的變化

實驗結(jié)果表明太陽能電池板電流、電壓隨著與光源間的距離越來越大而越來越小，及光照強度大，太陽能電池板所產(chǎn)生的電流、電壓也大；反之，小而小，但兩者間距離不可過小，以免造成損壞.

3.2太陽能電池的伏安特性實驗

通過對太陽能電池的伏安特性曲線的測量可以得到太陽能電池的工作性能，并能夠得出其最大功率點(MPPT).太陽能電池的伏安特性實驗數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示.

圖6　電壓與功率的關(guān)系

圖7　電壓與電流的關(guān)系

3.3法拉第定律和電解槽的電解效率

法拉第定律描述的是通過電解槽上的電流大小與氣體產(chǎn)生量之間的關(guān)系.電解槽的電解效率為實際氣體產(chǎn)生量與理論氣體產(chǎn)生量之比.法拉第定律和電解槽的電解效率數(shù)據(jù)如圖8和圖9所示.

圖8　電解槽電流時間特性

由圖9可以得到電解產(chǎn)生20 mL氣體功率的時間積分為274.44 W·s.由圖8可得電流的時間積分為168.92 C，VH(實際值)=20 mL，VH(理論值)=21.77 mL，電解槽的電解效率為91.85%.能量效率等于產(chǎn)生30 mL氫氣消耗的能量與能量消耗總值之比，為92.88%.

圖9　電解槽功率時間特性

3.4法拉第效率與燃料電池的化合效率

與電解槽電解效率相似，仍使用法拉第定律來計算燃料電池的效率.法拉第效率與燃料電池的化合效率數(shù)據(jù)如圖10和圖11所示.

燃料電池功率對時間的積分為63.26 W·s

∑I(t)t=78.49 A·s

10.18 mL

法拉第效率為

燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率η為58.57%.

以上一些實驗的嘗試，開拓了筆者在教學(xué)方面的新思路，對新科技在物理教學(xué)中的應(yīng)用有了新的思考，縮短了基礎(chǔ)物理教學(xué)與新科技的距離，是一種比較好的嘗試.

圖10　燃料電池電流時間特性

圖11　燃料電池功率時間特性

1教基二〔2014〕4號 關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見

2http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm．國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要

3www. anpico.com.美國PASCO公司.通用接口850及配套軟件Capstone使用實驗手冊

4http://www.pasco.com/.美國PASCO公司.“科學(xué)工作室”實驗系統(tǒng)[EB/OL]

5張偉，蔡穎標．基于PASCO平臺的法拉第磁光效應(yīng)實驗.物理實驗,2011，31(7)：33～36

6鄭少燕，林淑淇，李德安，等．基于PASCO系統(tǒng)的加速度研究．物理實驗,2013,33(4):21～23

Application on PASCO Data Collecting

System in Physics Teaching

Tan Guofeng

(Hangzhou No.2 High School,Hangzhou,Zhejiang310053)

Abstract：In this article, we introduce the application of PASCO Data Collecting System in photovoltaic effect of the solar battery, Faraday′s Law of electrolysis and the electrolysis efficiency of electrolytic tank in physics teaching in high schools

Key words:data collection; classroom teaching; media technology