曾 斌(廣東實驗中學(xué) 廣東 廣州 510375)陳心璐(佛山市順德區(qū)桂洲中學(xué) 廣東 佛山 528305)

NI myDAQ是一種低成本便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用USB總線與計算機上的LabVIEW軟件配合通信，可以實現(xiàn)對物理信號的動態(tài)采集與測量，并進行分析.法拉第歷時10年揭示了“磁生電”的奧秘，看似簡單易懂的電磁感應(yīng)現(xiàn)象實質(zhì)是一種歷時極短、變化瞬間即逝的暫態(tài)過程.教材中的傳統(tǒng)演示實驗通常是利用檢流計來顯示閉合回路中感應(yīng)電流的產(chǎn)生過程，通過指針的偏轉(zhuǎn)證明了感應(yīng)電流的存在.但是，對于這一瞬間的變化過程，在實際教學(xué)中存在某些問題，比如由于持續(xù)時間較短或者產(chǎn)生的感應(yīng)電流過于微弱，導(dǎo)致檢流計指針偏轉(zhuǎn)角度過小，學(xué)生只看到了檢流計指針的輕微晃動等.因此，僅憑借傳統(tǒng)的演示器材，也就是檢流計，無法使學(xué)生深刻認識到：當(dāng)回路中磁通量變化時，感應(yīng)電流也隨之發(fā)生一系列變化.為改善當(dāng)前教學(xué)中存在的這一問題，筆者利用自制的實驗教具，將現(xiàn)代化的測量技術(shù)引入到教學(xué)中，使得這一暫態(tài)且是動態(tài)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象能夠“凝固化”.這樣通過改良，一方面改進演示實驗的效果，提高測量的精確度與實驗的直觀性，另一方面在提升實驗科學(xué)技術(shù)含量的同時，也加深了學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象本質(zhì)的理解與認識，激發(fā)學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1 基于NI myDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

作為NI“口袋實驗室”系列針對測試測量學(xué)習(xí)及應(yīng)用的教學(xué)設(shè)備，myDAQ以其低成本、便攜性的優(yōu)勢被引入高中課程教學(xué).通過LabVIEW 程序，myDAQ可以進行模擬和數(shù)字信號的采集、測量和分析[1]，其采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.NI myDAQ為實驗系統(tǒng)提供了硬件環(huán)境，軟件采用廣泛使用的LabVIEW開發(fā)平臺，在這種“軟硬兼容”的環(huán)境下借助計算機實現(xiàn)對實際信號的動態(tài)采集.

圖1 基于LabVIEW及DAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LabVIEW軟件功能強大，它采用的是簡單易懂的圖形化編程語言.本實驗系統(tǒng)為了將一閃而過的感應(yīng)電流完整地捕捉再現(xiàn)，在LabVIEW前面板上將感應(yīng)電流隨時間連續(xù)變化的過程以波形圖的形式顯示，將抽象的電磁感應(yīng)現(xiàn)象圖形化，給學(xué)生最直觀的體驗，有利于幫助學(xué)生理解電磁感應(yīng)產(chǎn)生的條件.

NI myDAQ是由美國NI公司開發(fā)的一種低成本便攜式數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，配有USB即插即用接口，可與計算機相連, 可針對各種測量進行快速方便的采集和顯示,方便控制信號的輸入輸出.通過與計算機上的NI LabVIEW軟件配合使用，使得測量更加現(xiàn)代化與數(shù)字化.圖2所示是NI myDAQ的外觀，該采集卡帶有 2 個模擬量輸入(analog input，AI)端口、2 個模擬輸出( analog output，AO) 端口、8 個數(shù)字輸入 /輸出( data input and output，DIO) 端口、± 15 V 和5 V電壓端口 、2 個模擬接地 ( analog ground，AGND ) 和1 個數(shù)字接地 ( data ground，DGND ) 端口 .2 組 AI 通道可被配置為通用高阻抗差分電壓輸入或音頻輸入； AO 通道可被配置為通用電壓輸出或音頻輸出，也可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換通道使用；8 個 DIO 通道中，每個通道內(nèi)部連接一個可編程函數(shù)接口 ( programmable functioninterface，PFI ) ；15 V電源可作為電源模擬組件，+5 V 可作為電源數(shù)字組件.

圖2 NI myDAQ外觀

2 教學(xué)實例——探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件

關(guān)于本節(jié)內(nèi)容，教材設(shè)計了3個探究實驗：1演示實驗和2個學(xué)生實驗.在實際教學(xué)中，由于受學(xué)校實驗室資源、課時等因素的限制，大多數(shù)教師在處理本節(jié)課的實驗時通常選擇演示實驗輔助課堂教學(xué).考慮到學(xué)生在初中對于感應(yīng)電流已經(jīng)具備了一定認識：知道在閉合回路中的導(dǎo)體做切割磁感線運動能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流，教材正是將學(xué)生的感性認識作為認知起點，這3個實驗側(cè)重點均不同，步步引導(dǎo)學(xué)生觀察、深入理解電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將學(xué)生的思維逐步引向感應(yīng)電流形成的根本原因：閉合回路的磁通量發(fā)生變化.

本實驗系統(tǒng)為了將一閃而過的感應(yīng)電流完整地捕捉再現(xiàn)，在LabVIEW前面板上將感應(yīng)電流隨時間連續(xù)變化的過程以波形圖的形式顯示，將抽象的電磁感應(yīng)現(xiàn)象圖形化，給學(xué)生最直觀的體驗.主要程序即信號采集區(qū)采集感應(yīng)電流的實時產(chǎn)生過程，通過U-T圖像以波形圖的方式顯示出來，并同時調(diào)用LabVIEW軟件中的origin.vi子vi函數(shù)，設(shè)計能夠直接讀取實驗數(shù)據(jù)的程序，利用Origin軟件中的讀數(shù)光標，方便、準確地讀取條形磁鐵穿過線圈時產(chǎn)生的瞬時感應(yīng)電動勢的大小，該部分程序框圖如圖3所示.

圖3 信號采集區(qū)程序框圖

實驗1：閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線

本文沿用教材中的實驗裝置，將原來接入導(dǎo)體線圈兩端的檢流計替換為NI myDAQ來測量感應(yīng)電流，實驗裝置如圖4所示.

同時啟動LabVIEW編寫的采集程序，在計算機屏幕上顯示出采集到的感應(yīng)電流的電壓波形.通過探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)體線圈沿著水平方向向左或者向右運動時，屏幕上的電流采集圖像中發(fā)生了明顯的起伏，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流如圖5所示；當(dāng)導(dǎo)體線圈沿平行于磁場方向向上或者向下運動時，電壓波形圖保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生起伏，此時線圈中沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

圖4 替代后裝置圖

圖5 線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流

實驗2：向線圈中插入磁鐵和把磁鐵從線圈中拔出

實驗2裝置如圖6所示.在閉合螺線管兩端接上NI myDAQ測量感應(yīng)電流，通過實驗發(fā)現(xiàn)，將條形磁鐵的某個磁極插入線圈或者從線圈中抽出時，能夠采集到感應(yīng)電流的波形.

圖6 螺線管接上NI myDAQ實驗圖

當(dāng)把條形磁鐵靜止地放在線圈中，即二者之間沒有發(fā)生相對運動時，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生.在此實驗的基礎(chǔ)上，可以改變條形磁鐵相對于線圈運動的速度，引導(dǎo)學(xué)生觀察屏幕上如圖7所示電流波形圖的起伏程度，速度越快，采集到的電壓信號的最大值也越大，為接下來的法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)做鋪墊.

圖7 感應(yīng)電流波形

實驗3：法拉第大、小線圈實驗

實驗3的裝置如圖8所示.根據(jù)教材內(nèi)容，我們采用自制實驗教具，通過電源、開關(guān)、滑動變阻器與大線圈組成一個回路，小線圈套在大線圈中，同時把NI myDAQ連接在小圈兩端采集其中的感應(yīng)電流.

圖8 自制教具實驗裝置圖

由于該實驗是在前兩個實驗的基礎(chǔ)上設(shè)計的，也是模擬當(dāng)初法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的裝置.在教學(xué)中，注意引導(dǎo)學(xué)生分析出這個實驗裝置實質(zhì)上是由兩個回路組成的，大線圈所在的回路在通電的瞬間，大線圈的作用就相當(dāng)于一個條形磁鐵，因此，可以通過增加一個滑動變阻器，通過改變其阻值來改變大線圈周圍的磁場強弱.通過探究實驗發(fā)現(xiàn)，在開關(guān)閉合和斷開的瞬間能夠采集到起伏明顯的電流波形如圖9所示；同時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開關(guān)閉合，迅速撥動滑動變阻器滑片，以及將小線圈從大線圈中插入、抽出時，都能實時測到小線圈中產(chǎn)生感應(yīng)的電流如圖10所示.

圖9 開關(guān)開合瞬間電流

圖10 調(diào)節(jié)滑片瞬間電流

通過以上3個探究實驗可歸納出感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件：導(dǎo)體線圈在磁場中切割磁感線時，使得閉合回路包圍的磁場面積發(fā)生改變；條形磁鐵無論是插入還是拔出線圈時，二者之間發(fā)生的相對運動，改變了穿過線圈的磁場強弱；開關(guān)在斷開或者閉合的瞬間、開關(guān)閉合后迅速移動滑動變阻器滑片瞬間，通過改變回路的電流大小從而改變穿過小線圈的磁場強弱，都能得到感應(yīng)電流.由此歸納總結(jié)出：只要穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合回路中就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生.

3 基于NI myDAQ的電磁感應(yīng)教學(xué)體會

將以上實驗裝置系統(tǒng)應(yīng)用到教學(xué)中，在整個教學(xué)過程中，并沒有完全拋棄傳統(tǒng)實驗裝置，而是在此基礎(chǔ)上，通過引入數(shù)字化的實驗設(shè)備，為學(xué)生創(chuàng)造一個良好的物理情境，“固化”了想要描述的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，對傳統(tǒng)的演示實驗起到一個驗證、深化的作用.對于實驗3，把傳統(tǒng)的演示實驗改造為學(xué)生實驗，讓學(xué)生親自動手操作，在教師的引導(dǎo)下進行探究.既能調(diào)動課堂氛圍，同時能促進師生互動，加深學(xué)生對實驗現(xiàn)象的感知與理解.通過與傳統(tǒng)的物理課堂進行對比，提出使用新型的數(shù)據(jù)采集器進行教學(xué)具有以下幾點優(yōu)勢.

(1)將微弱的感應(yīng)電流采集、放大，使得轉(zhuǎn)瞬即逝的電磁感應(yīng)現(xiàn)象能夠?qū)崟r紀錄.在采集過程中，能夠隨時啟動、停止采集過程，可以利用滾動軸回放觀察電壓信號的波形圖，這種“以靜制動”的技術(shù)將理性與感性相結(jié)合，直擊教學(xué)重難點，有效幫助學(xué)生充分理解當(dāng)閉合回路中的磁通量發(fā)生變化的瞬間產(chǎn)生了感應(yīng)電流.

(2)暫態(tài)過程直觀化，增強演示實驗的教學(xué)效果.在應(yīng)用傳統(tǒng)的實驗進行教學(xué)過程中，存在實驗現(xiàn)象不明顯，學(xué)生會感到歸納的實驗結(jié)果有些牽強，可信度不高.該實驗裝置設(shè)計簡單，操作起來并不復(fù)雜，教師利用此裝置能夠?qū)嶒灛F(xiàn)象實時投影顯示在電子屏幕上，使得每個角落的學(xué)生都能清楚地看到實驗結(jié)果，彌補了用檢流計時的演示缺陷.

(3)激發(fā)學(xué)生的興趣，開拓學(xué)生的科學(xué)視野和思維.在當(dāng)前“核心素養(yǎng)”的背景下，引入該實驗裝置作為課堂設(shè)計的一大特色，通過新型的數(shù)據(jù)采集器直接將實驗現(xiàn)象展示在學(xué)生面前，喚起學(xué)生對物理知識的新鮮感、對實驗操作的好奇心，同時增加師生互動環(huán)節(jié)，將探究親自交給學(xué)生，能夠增強學(xué)生的參與感和體驗性.

(4)輔助教師開展多樣化教學(xué)，為傳統(tǒng)的課堂注入新的活力.在教育信息化迅速發(fā)展的時代背景下，教師也在致力于不斷提高信息素養(yǎng).基于NI myDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為教師提供了新的思路，鼓勵教師通過變革技術(shù)手段，更新教學(xué)模式，推進信息技術(shù)與物理教學(xué)的創(chuàng)新融合.

4 結(jié)束語

在中學(xué)物理教學(xué)中，實驗是一種重要的教學(xué)手段，引入新型數(shù)據(jù)采集設(shè)備的最大優(yōu)勢在于將這種瞬間變化的物理量直觀地呈現(xiàn)出來，能夠改善傳統(tǒng)演示實驗的不足之處.本實驗系統(tǒng)LabVIEW程序的可復(fù)制性較強，不僅能用來探究本文論述的感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件，還能夠驗證楞次定律，以及將定性演示向定量探究作進一步深化拓展，用來定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律，能夠充分發(fā)揮這種實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢，具有很好的推廣使用價值.