摘 要：物理實驗數字化能夠顯化實驗原理，是改進傳統(tǒng)物理實驗的重要方法。在傳感器與計算機的幫助下，對“測定直流電動機的效率”這一實驗進行再改進，解決了分組實驗產生較大誤差和學生對實驗原理理解不深的問題。

關鍵詞：DISLab；直流電動機；效率

1 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出：“演示實驗是師生共同探究物理問題的學習方式，也是體驗性較強的學習方式，教師要積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實驗方式，盡可能多地開發(fā)出可視性強、證據性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗?！保?］自DISLab實驗系統(tǒng)誕生以來，物理實驗數字化已成為改進傳統(tǒng)實驗的重要方法之一。部分傳統(tǒng)實驗受觀測儀器的限制，未能直觀、可視化地呈現所研究物理量之間的關系，導致學生對實驗原理理解不深，課堂學習體驗下降。若能對一些傳統(tǒng)實驗實現數字化，顯化實驗原理，則有利于培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。

2 “測定直流電動機的效率”實驗的已有方案及其不足

2.1 教材原版實驗

該實驗源自上?？茖W技術出版社出版的普通高中教科書《物理》高中二年級第一學期（試用本）第十章“磁場”D節(jié)“直流電動機”的內容。教材中給出的實驗器材如圖1所示，并要求學生思考：①如何計算直流電動機的輸入功率、輸出功率？②如何得出直流電動機的效率表達式？③如何設計實驗電路圖？④實驗步驟以及實驗中應測量哪些物理量？

電動機是將電能轉化為機械能的裝置，讓學生親自動手參與實驗，幫助學生樹立有關能量守恒與轉化的觀念。能量轉化過程中，必然存在能量損失，這就涉及轉化效率。由電動機的工作原理可知，電動機的輸入能量為電能，輸入功率為P輸入＝UI，輸出能量為機械能，輸出功率為P輸出＝Fv，則其效率為η＝P輸出P輸入

＝FvUI。這里，需要考慮表達式中的物理量在現有儀器條件下是否可以測量。連接電路后，電壓U和電流I分別用電壓表、電流表測量；F應為電動機牽引線的拉力，但傳統(tǒng)實驗器材無法直接精確測量，只能通過砝碼的重力代替；速度v可以由砝碼上升的高度和上升的時間來計算。因而電動機的效率可以表示為η＝P輸出P輸入＝FvUI＝mghtUI＝mghUIt。實驗中測量出重物質量、重物上升高度、上升時間、電壓U和電流I，代入電動機的效率表達式即可得出直流電動機的效率。

2.2 教材原版實驗的曾改進版本與不足

一些教師對教材原版實驗做了不同的改進。例如，上海市青浦區(qū)第一中學的陳希老師曾利用DISLab改變傳統(tǒng)儀器測量方式，利用DIS提高電動機輸入電壓、電流的測量精度，利用位移傳感器測量直流電動機牽引速度，其方案主要解決的問題是提高實驗數據的測量精度。［2］上海市風華中學的沈慧麗老師在陳老師的改進方案的基礎上，解決了由于轉輪損失能量導致實驗誤差以及連接電路時間較長的問題。［3］沈老師的實驗方案與陳老師的方案的最大不同之處是利用光電門測量上升時間。然而，改進后的實驗仍存在下列問題。

第一，實驗誤差較大。筆者在課堂分組實驗中發(fā)現，不同規(guī)格的電動機在實驗中測量的效率不同，即使采用相同的器材，各小組測量的效率也存在較大的差距。在課后與學生訪談過程中，筆者了解到多數學生也對實驗中電動機效率的差異過大表示不解。筆者在查詢相關資料后發(fā)現，直流電動機在不同扭矩和不同轉速的工作狀態(tài)下的效率不同。在學生分組實驗時，由于不同小組選擇的鉤碼質量不同，電動機的轉速不同，測量結果也必然有所不同。

第二，實驗原理顯化不足。在課堂教學中，筆者先用“感受無人機的電動機工作時的發(fā)熱”作為情景引入，從能量轉化與守恒的角度引導學生得出電動機的輸入功率、輸出功率以及效率的表達式。然而，在學生分組實驗過程中，部分學生仍不清楚為何要測量這些物理量，說明這部分學生對實驗原理理解不夠透徹。在完成實驗進行誤差分析時，筆者通過問題逐步引導學生思考什么情況下FvUI＝mghUIt才成立，即F＝mg，v＝ht成立的條件，學生才領悟到該表達式在鉤碼勻速上升時才成立。

3 “測定直流電動機的效率”實驗方案的再改進

3.1 實驗電路圖與實驗裝置

改進后的實驗電路圖和實驗裝置分別如圖2、3所示。其中，各傳感器的作用如下。

旋轉運動傳感器：通過測量自帶轉輪轉過的弧長得出牽引物體的位移—時間（x-t）關系，進而獲得速度—時間（v-t）關系圖像。

力傳感器：其測量掛鉤與細線相連，可獲取細線的張力隨時間的變化情況，細線繃緊狀態(tài)下測得直流電動機輸出牽引力隨時間變化（F-t）的關系圖像。

電流傳感器：測量直流電動機的輸入電流，可獲得電流—時間（I-t）關系圖像。

電壓傳感器：測量直流電動機的輸入電壓，可獲得電壓—時間（U-t）關系圖像。

相應傳感器獲得圖像分別如圖4所示。

除此之外，還須說明的是：配重片可安裝在力傳感器上，從而改變直流電動機牽引力的大?。徽{節(jié)電源可改變直流電動機的輸入電壓，從而改變直流電動機的轉速；由于力傳感器在實驗中是運動的，且實驗中同時使用四個傳感器，有線傳輸數據會帶來實驗誤差與不便，所以本實驗使用的傳感器都為無線連接。

3.2 實驗操作步驟

第一步，安裝實驗裝置。連接電路，并使四個傳感器處于工作狀態(tài)。

第二步，傳感器調零。點擊DIS專用軟件界面下的“開始實驗”，將力傳感器取下并放置于桌面上，再點擊“調零”即完成四個傳感器的調零操作。

第三步，開始實驗。將力傳感器安裝完畢后，將電源電壓調至直流電動機的額定電壓，先點擊“記錄數據”，再閉合開關。此時軟件會實時顯示牽引力—時間圖像（F-t圖像）、速度—時間圖像（v-t圖像）、電壓-時間圖像（U-t圖像）和電流—時間圖像（I-t圖像），并計算得出效率—時間圖像（η-t圖像）。

第四步，結束實驗。在力傳感器到達頂部前斷開開關，使電動機停止工作，再點擊“停止記錄”。

將得到的實驗數據保存，改變配重或直流電動機的轉速，多次實驗。完成后斷開開關，并關閉所有傳感器的開關。

4 實驗創(chuàng)新點

4.1 顯化實驗原理

傳感器測量的四個物理量（牽引力、速度、電壓、電流）與電動機效率的表達式（η＝P輸出P輸入＝FvUI）中的物理量一一對應，并以圖像直觀呈現，效率—時間圖像通過軟件計算實時呈現。通過實驗裝置圖與實驗結果圖像，學生能快速建立物理模型，理解實驗原理。

4.2 數據可視化

第一，相同實驗器材誤差可視。教材原版實驗測量效率時要求鉤碼勻速上升，而鉤碼上升時的運動情況大致為先加速、后勻速、最后減速到零（如圖5所示）。觀察發(fā)現這一過程中電動機的效率隨時間變化的圖像有類似的變化過程。教材原版實驗是將鉤碼的上升運動粗略看作勻速直線運動，而不同實驗小組很難做到運動情況一致，尤其是加速和減速階段，若選取實驗中最接近勻速直線運動的區(qū)間，實驗誤差則會較小。這也就解釋了為什么相同實驗器材完成該實驗時測量結果也存在一定差異。

第二，不同實驗器材誤差可視。筆者改進的實驗方案中，控制牽引力不變，改變電動機轉速得到的實驗數據如圖6所示，可得不同轉速下，直流電動機的效率不同。提取多次實驗數據（如表1所示）可得：不同牽引力、不同轉速情況下，直流電動機的效率不同。該結論也符合電動機在不同扭矩、不同轉速情況下，其效率不同。

5 結束語

改進實驗方案仍存在的實驗誤差：實驗時旋轉運動傳感器的轉輪會造成電動機一部分輸出機械能的損失，進而導致實驗測量的效率仍比實際效率偏低，有待后續(xù)改進。實驗后教師可提出拓展問題，供學生繼續(xù)探究。例如：①傳統(tǒng)實驗測量的效率與改進實驗測量的效率有什么區(qū)別？②如何解釋電動機在運動狀態(tài)、牽引力、轉速不同時的效率不同？③電動汽車提升續(xù)航能力可以從哪些方面入手解決？

數字化改進傳統(tǒng)實驗，既能降低實驗器材的安裝難度，也能利用數字化圖像直觀地顯化實驗原理。啟發(fā)學生探尋實驗現象背后的物理原理，而不僅僅是做實驗，更要懂實驗。物理作為以實驗為基礎的自然科學，唯有情境下的物理規(guī)律探索，才能給學生帶來全方位的學習真體驗。以動手實驗提升學生的科學思維，帶動其物理觀念的提升，提高學生的物理核心素養(yǎng)。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：76.

［2］陳希.利用DISLab對“測定直流電動機效率”實驗的改良［J］.物理教學，2009，31（8）：22-23.

［3］沈慧麗.用DIS測定直流電動機的效率（學生實驗）［J］.物理教學，2017，39（4）：26-27，25.