王程

【摘要】DISLab運(yùn)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多優(yōu)勢，本文通過對利用DISLab改進(jìn)自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的案例研究，對實(shí)驗(yàn)的效果及教學(xué)過程中應(yīng)該注意的問題進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?、說明。

【關(guān)鍵詞】DISLab? 物理實(shí)驗(yàn)? 自感現(xiàn)象

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）36-0142-02

一、引言

物理新課程改革中為了避免由于測量手段、工具、環(huán)境和使用者本身素質(zhì)產(chǎn)生的誤差，引進(jìn)了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組合在一起，共同對一些物理量進(jìn)行測量的裝置，名為DIS實(shí)驗(yàn)，是Digital Information system三個(gè)英文單詞的縮寫，是“數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”的簡稱，它是一種可以實(shí)時(shí)采集測量數(shù)據(jù)的智能化輔助系統(tǒng)，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)軟件構(gòu)成。

DISLab運(yùn)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很多優(yōu)勢，本文通過對利用DISLab改進(jìn)自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的案例研究，可以使我們更加清楚地認(rèn)識到DISLab在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位，也能使我們以后更好地使用DISLab進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

二、DISLab的特點(diǎn)

DISLab系統(tǒng)可以成功克服傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的很多問題，有力地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全面整合。相對與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器它有以下特點(diǎn)：一是實(shí)時(shí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量記錄與實(shí)驗(yàn)操作過程同步，可以同步采集和即時(shí)處理測量數(shù)據(jù)，并且能同時(shí)測量記錄多個(gè)不同種類的物理量。二是準(zhǔn)確。利用數(shù)據(jù)采集器可以直接采集所測量的物理量，對傳感器不方便測量的物理量還可以通過人工輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。時(shí)間精度能夠達(dá)到0.1ms，其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以精確到0.4%，能夠完全符合中學(xué)物理對測量結(jié)果精準(zhǔn)度的要求。三是直觀。DISLab能夠在計(jì)算機(jī)軟件上按照數(shù)字、指針、波形圖三種方式動態(tài)實(shí)時(shí)地展現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。操作者可以采用合適的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，任意察看某一瞬間、某一段時(shí)間或整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的測量數(shù)據(jù)。四是高效。DISLab不僅可以準(zhǔn)確即時(shí)采集測量結(jié)果，還能利用相關(guān)軟件高效的對測量結(jié)果進(jìn)行分析和處理，如多種擬合（直線擬合、二次多項(xiàng)式擬合、三次多項(xiàng)式擬合）或求異等。

三、利用DISLab改進(jìn)自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的案例分析

在自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中，我們以往只能通過小燈泡發(fā)光強(qiáng)弱的變化情況來觀察電路中的自感現(xiàn)象，學(xué)生無法直觀的體會到小燈泡兩端的電壓是如何隨時(shí)間變化的。電路斷電時(shí)，盡管學(xué)生能夠觀察到小燈泡的閃亮，但是此時(shí)燈泡兩端的電壓方向怎樣變化卻無法看到，而利用DISLab 則可以方便地解決以上問題。

1.自感現(xiàn)象傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限性

自感現(xiàn)象的本質(zhì)是一種比較抽象的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，中學(xué)生對自感現(xiàn)象缺少感性認(rèn)識，為此，教師一般先利用演示實(shí)驗(yàn)來展示自感現(xiàn)象，然后再講解自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和特征，所以教師要想上好這節(jié)課，必須通過演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，分析好自感現(xiàn)象的產(chǎn)生原理和特征，物理課本通過圖1所示的電路來演示通電時(shí)的自感現(xiàn)象，通過圖2所示的電路來演示斷電時(shí)的自感現(xiàn)象。

圖1中，在閉合開關(guān)的瞬間，由于小燈泡A2與滑動變阻器R串聯(lián)的支路是純電阻電路，所以A2會立即正常發(fā)光;而由于小燈泡A1與線圈L串聯(lián)在一個(gè)支路中，線圈L中的電流逐漸增大時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象便會產(chǎn)生自感電動勢，阻礙線圈L電流的變化，所以通過小燈泡A1的電流的變化需要一個(gè)短暫的過程，小燈泡A1相對于小燈泡A2會“滯后發(fā)光”，但其實(shí)“滯后發(fā)光”的過程非常短暫，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能不是很明顯。

在圖2中，當(dāng)開關(guān)S突然斷開時(shí)，電路中已經(jīng)沒有了外電源，但因?yàn)橥ㄟ^線圈的電流減小，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢來阻止線圈中的電流的減小，這時(shí)線圈L與小燈泡A剛好組成了一個(gè)閉合回路，小燈泡A會“延續(xù)發(fā)光”，如果線圈中的原電流大于小燈泡A中的電流，這時(shí)小燈泡還會閃亮一下，在斷電電路的自感實(shí)驗(yàn)過程中，由于沒有對比實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們可能無法觀察到小燈泡A“延續(xù)發(fā)光”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;此外同學(xué)們也無法觀察到在這一過程中通過小燈泡A的電流方向發(fā)生了改變。

2.利用DISLab的演示實(shí)驗(yàn)

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀、全面，教師可以利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，利用電流（電壓）傳感器、數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)軟件，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀的以圖像的方式在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)出來進(jìn)行分析。圖1中，在小燈泡A1兩端安裝一個(gè)電壓傳感器，在電路通電的瞬間，同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集器收集小燈泡A兩端的電壓大小，通過“示波”方式，在窗口中呈現(xiàn)υ—t圖像，如圖3所示，可以清晰直觀地看到，小燈泡A兩端的電壓在慢慢增大，說明通過小燈泡A1和線圈的電流是逐漸增大的，而且通過圖像可以看到，小燈泡A1兩端在閉合電路0.3秒后才有電壓產(chǎn)生。

圖2中，同樣將電壓傳感器接在小燈泡A的兩端，在斷開開關(guān)S的同時(shí)，啟動數(shù)據(jù)采集器采集小燈泡A兩端電壓數(shù)據(jù)，然后通過“示波”方式，在計(jì)算機(jī)中呈現(xiàn)υ-t圖像，如圖4所示，通過圖像可以觀察到，斷開開關(guān)S之后小燈泡A兩端的電壓方向先發(fā)生了改變，然后電壓再逐漸減小，說明通過小燈泡A的電流在斷開開關(guān)S時(shí)電流方向先發(fā)生了改變，然后電流再逐漸減小，此外，在斷開電路瞬間，小燈泡A兩端的感應(yīng)電壓比原來電壓更大。通過實(shí)驗(yàn)圖像可以看到，斷開開關(guān)S瞬間小燈泡A兩端的感應(yīng)電壓約為斷開開關(guān)S前電壓的4倍，所以在這一瞬間小燈泡A的亮度會明顯變強(qiáng)一下。

通過利用DISLab改進(jìn)自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)案例可以發(fā)現(xiàn)，利用DISLab不僅可以輔助傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行原有的實(shí)驗(yàn)， 還能有效改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一些不足之處。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，將電阻支路、電感支路的電壓、電流隨時(shí)間的變化情況通過圖像的形式形象直觀的展示出來，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性。斷開電路時(shí)，線圈和電阻組成的回路中由于電磁感應(yīng)有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，但是此時(shí)流過小燈泡的電流方向與通電時(shí)相反。通過υ—t圖像同學(xué)們可以直觀的觀察到中小燈泡兩端電壓方向及大小的變化情況，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中小燈泡的瞬間閃亮現(xiàn)象相比更容易，讓學(xué)生對斷電自感現(xiàn)象原理的認(rèn)識更深刻。

我們不難發(fā)現(xiàn)使用DISLab 系統(tǒng)輔助自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，將原本定性分析的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為直觀的定量觀察，還增加了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性。除此這外，DISLab系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上還有很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量器材沒有的優(yōu)勢。總之，合理的利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以為我們的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更多的便利，幫助我們更加高效的開展課堂教學(xué)工作。

通過DISLab改進(jìn)自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的案例分析，我們不難發(fā)現(xiàn)應(yīng)用DISLab系統(tǒng)進(jìn)行中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性是顯而易見的，除了本文介紹的實(shí)驗(yàn)案例外，DISLab在還可以應(yīng)用于很多中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，通過DIS系統(tǒng)可以輔助我們完成大多數(shù)的力、熱、電、光、以及原子物理實(shí)驗(yàn)。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還制作了“向心力實(shí)驗(yàn)演示器”“平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)器”“干涉、衍射、偏振實(shí)驗(yàn)器”等很多創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)工具，解決了一大批傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難題。在輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)不斷改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助并改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式和教學(xué)手段，正是DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的作用所在。

DISLab系統(tǒng)簡化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程并且利用用DISLab輔助實(shí)驗(yàn)，操作簡單、直觀、高效、準(zhǔn)確，讓我們感覺到了現(xiàn)代化信息技術(shù)帶來的便捷，同時(shí)采用DISLab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果直觀。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅為學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供了更好的環(huán)境，也為對改進(jìn)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)感興趣的老師提供了進(jìn)一步研究和創(chuàng)新的契機(jī)。

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