数字化物理创意实验目录

数字化物理

创意实验目录

姚志城、倪亚清 著

凤凰出版社 二○一三年三月

校本课程是普通高中课程体系的有机组成部分，是根据当地经济和社会发展的具体实际或结合学校的传统和优势、学生的兴趣和需要, 充分利用当地课程资源，以促进学生发展为目标的综合性课程。校本课程与国家课程有机地结合在一起, 相互依存、相互促进, 共同构成了学校教育教学所必需的课程体系，校本课程即为《江苏省普通高中课程改革实施方案》中关于课程设置要求中的选修Ⅱ课程。该方案中明确规定选修Ⅱ课程学生至少获得6个学分。我校从2003年引进DISLab 实验系统,2005年起开设《数字化物理创意实验》校本课程, 从有利于学生学习及教师教学的角度，需要一本教材，系统介绍DISLab 实验系统以及实验方案。

《数字化物理创意实验》课程是依托朗威数字化信息系统实验室，由无锡市第一中学教师开发而成的校本课程。DISLab 实验系统由于具备多类型的信息传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台、多模式的数据显示方式、强大的函数图象处理等功能，更加有利于创设学习情景，营造探究氛围，以实现物理教师教学方式和学生学习方式的改变。

《数字化物理创意实验》课程主要由两部分组成，第一部分对DISLab 实验系统进行了介绍, 第二部分由多个实验案例组成，注重知识和技能的结合，强调物理规律形成的过程和探究方法。《数字化物理创意实验》课程，在教学过程中强调培养学生的情感、态度和价值观, 是优化学生学习方式的有效手段；倡导学生主动参与交流、合作、探究等多种学习活动, 改进学习方式, 使学生真正成为学习的主人；强调培养学生的创新精神、实践能力, 收集、处理、使用信息的能力，发现、分析和解决实际问题的能力；培养学生的科学态度, 使学生领悟科学方法, 具有独立思考、自主探究的精神与求实创新的意识。

通过该课程，学生将系统学习传感器、数据采集器技术, 学会应用计算机来模拟实验、控制实验、处理数据, 并初步具备设计物理实验的能力。

《数字化物理创意实验》印刷精美，主要用于赠送交流。

◆实验目的

理解平均速度的概念，掌握“瞬时速度就是平均速度极限”的概念。 ◆实验原理

物体运动的平均速度v =

s t

，s 为时间t 内的位移，所取的位移越小，平均速度就越

接近于小车经过这段位移的端点的瞬时速度。 ◆实验器材

朗威光电门传感器两只、轨道、小车、挡光片。 ◆实验装置图

图2.1-1

◆实验过程

1、将两只光电门传感器固定在力学轨道一侧，并接入数据采集器；

2、将轨道的一端调高，在小车上安装宽度为2cm 的挡光片，调整光电门的位置使小车及挡光片能够顺利通过并挡光；

3、打开“计算表格”，点击“变量”，启用“挡光片经过两个光电门的时间”功能，软件默认变量为t 12，添加变量“s ”表示两光电门传感器之间的距离，输入表达式“v =s /t 12”表示小车在两光电门间运动的平均速度；

4、点击“开始”，令小车从轨道的高端下滑，使挡光片依次通过两光电门； 5、保持远离小车起点的光电门位置不变，逐次移动另一只光电门向其靠近，手动输入两只光电门之间的距离s ，令小车从同一位置下滑，测量多次后点击“停止”（图2.1-2）；

◆实验原理

电容器在充放电过程中，电场能和其他形式的能量发生相互转化。电容充放电的电荷量

Q

是I -t 图线与坐标轴围成的面积，根据公式C =可以求出电容器的电容。电容放电时，

U 电容器的电压、电流、电荷量都遵从A t =A 0e

-t /RC

的规律。

◆实验器材

朗威电压传感器、电流传感器、2200μF 的电容、10Ω的电阻、5.6K Ω的电阻、电源、单刀双掷开关、导线。 ◆实验装置及电路图

图3.1-1

◆实验步骤

1、选用10Ω的电阻，按图3.1-1连好电路，将电流、电压传感器接入数据采集器； 2、打开“组合图线”窗口，点击“添加”，添加“电流I -时间t ”图像，将采样频率设为200；

3、将开关拨到左边，对电容器充电，然后将开关拨到右边，让电容器放电，观察电容充放电时电流变化的图线（图3.1-2）；

◆实验目的

观察声波的图像。 ◆实验原理

声音的本质是振动，且具备波形特征。

◆实验器材

朗威声传感器、砂纸、铁棒、电子琴。 ◆实验步骤

1、将声传感器接入数据采集器第一通道；

2、对着声传感器讲话，观察语音的波形（图4.1-1）；

图4.1-1

3、对着声传感器弹电子琴，观察乐音的波形（高音do ）（图4.1-2）；

◆实验目的

研究热水冷却时的温度变化规律。

◆实验原理

一个热的物体的冷却速度与该物体和周围环境的温度差成正比（牛顿冷却定律）。即：T =(T 0-c ) e -kt +c ，T 为物体温度，c 为环境温度，k 为常数，T 0为t =0时物体的温度。 ◆实验器材

朗威温度传感器、锥形瓶、带孔橡皮塞。 ◆实验装置图

图5.1-1

◆实验步骤

1、在锥形瓶中注入热水，将温度传感器插入锥形瓶并接入数据采集器（图5.1-1）； 2、打开“组合图线”窗口，点击“添加”，添加“温度T -时间t ”图象； 3、点击“开始”记录数据，10分钟后停止实验，得到一条水冷却图线（图5.1-2）。

图5.1-2

◆实验目的

观察单缝衍射现象中的光强度分布规律，加深对“光波动学说”的理解。

◆实验原理

当光在传播过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近，这样的衍射现象就比较容易观察到。

◆实验器材

朗威D IS Lab 光学套件、铁架台。 ◆实验装置图

图6.1-1

◆实验步骤

1、按图6.1-1放置好仪器，将光强分布传感器接入数据采集器；

2、将单缝（缝宽为0.08mm ）至光强分布传感器的距离L 调整为50cm 左右； 3、打开配套光源的开关，水平转动偏振片挡去部分光，以消除图线“平顶”现象，得到衍射图线（图6.1-2）；

实验报告是实验的重要组成部分，一方面，学生通过阅读实验报告的要点明确实验目的、实验方法、实验原理等，另一方面，学生将实验过程和实验数据记录下来，用于研究并解答问题。实验报告是衡量实验效果的重要依据，它不仅能综合反映学生分析问题、研究问题、解决问题的能力，也能及时得到学生对实验提出的改进意见，实验报告是在实验的过程中的理论与实践相结合的一份书面总结，每一份实验报告都可以用来监测学生的理论学习和动手操作能力。

从格式上看，数字实验报告与传统实验的并无多大差异，一般包括实验名称、实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤或内容、实验数据记录、实验数据分析和问题讨论等部分，但是，数字实验的特点决定了实验报告与传统实验的有所区别。数字实验利用传感器获取数据信息，通过计算机完成对实验数据的分析和处理，实现信息技术与学科教学的整合，它具有系统稳定、数据测定精确、数据处理方便等特点，因此实验报告有两个明显特征：

1. 图表是数字实验数据记录不可缺少的部分

数字实验的数据显示方式多为表格和图像，离开了图表，数字实验的效果大打折扣，本书收录的75个实验中，95%都配有图表。因此，在实验报告中要留有足够的空间给学生画表格作图。图7-1为笔者设计的屏幕截图通用框架，框架的x 、y 轴单位由学生自己标定，有拟合图线的可以要求写出拟合图线的函数表达式。

图7-1

2. 问题讨论是数字实验报告的重要组成部分

由于数字实验平台测定数据精确、处理数据方便快捷，节约了大量的时间，能观察记录

实验现象的细微之处，因此，学生能在有限的时间内可以按自己的想法做更多的猜测和