高中物理教学中DIS技术应用模式(2)
以上两个电学实验采用常规实验与DIS技术整合的模式,一方面利用现成的常规电学实验器材,便于学生理解实验原理图以及电路连接与测量方案,另一方面有利于物理量的精确测量和快速直接读取,特别是对于象“电量”这样利用常规实验器材不便测量的物理量,引进DIS技术后测量起来比较方便.
2 改进模式
改进模式就是对常规实验器材或原理进行一定程度的改进后,再结合DIS设备进行数据采集和处理的DIS技术应用模式.在实验教学中,往往会遇到某些物理量通过常规实验测量不够理想的情况,引进DIS技术,可以对这些常规实验加以改进.常见的改进有三种情形.
2.1 对常规器材无法直接测量的实验进行改进
物理实验中,有些物理量是没有常规器材能够直接测量的,而是利用间接测量的办法.应用DIS传感器对这些测量进行改进,可以变间接测量为直接测量.例如,高中物理“气体定律”实验教学,常规实验采用注射器封闭气体作为研究对象.由于常规器材无法对气体压强进行测量,而是根据注射器活塞受到的拉力再除以截面积,采用转换法进行间接测量的,给实验带来了很多复杂的换算,计算过程比较麻烦.但是,利用压强传感器与注射器相连,采用DIS技术改进后的实验装置,不再需要在注射器活塞处悬挂重物了,而是直接采集封闭气体的压强,并记录下从注射器上读出的相对应的体积,便可得出气体压强与体积的变化关系.
2.2 对观察和测量不够合理的常规实验进行改进
在常规实验中,有一些实验方法是不够合理的,观察和测量不够全面的,测量过程难以控制,甚至测量误差比较大.采用DIS技术进行改进,确保测量过程更加合理,观察和测量结果更加可靠.例如,在高中物理教学中,有多处实验是关于用弹簧测力计测量滑动摩擦力的实验.实际上,在这类实验中很难控制弹簧秤的读数,因为弹簧不停地进行伸缩变化,测量过程很不稳定.对于这种实验,将弹簧测力计改为力传感器,利用DIS技术获取滑动摩擦力的数据更加稳定可靠.再例如,灵敏电流计在高中电磁学实验中,经常被用来根据指针偏转演示电路中电流的存在和变化.小灯泡也同样被用在电路中,根据亮度变化显示电流的变化特点.可是,在“通断电自感现象”实验中,电流大小和方向变化迅速的情况下,电流计指针因为惯性来不及响应,灯泡的亮度往往显示不出变化过程.针对此类实验的特点,用电流传感器或电压传感器代替小灯泡、灵敏电流计这些常规实验器材,通过DIS设备在电脑图形界面上显示电流或电压特性曲线,不但能够显示电流大小的瞬间变化,还能显示自感电压的方向,演示过程更加合理全面.
2.3 对实验原理难以理解的常规实验进行改进
物理教学中,有些物理量是根据实验测量的结果,利用物理原理进行计算得到的,其中的物理原理难以理解,给学生的实验造成了额外的困难.引进DIS技术可以改变测量方式,改进实验的原理,方便学生的理解.例如,对于匀变速直线运动加速度的测量.常规实验采用打点计时器在与运动物体相连的纸带上打点,根据位移与时间关系的公式计算加速度.学生对于利用这个原理间接计算比较困惑,特别是根据相等时间间隔取点的做法,需要学生先具备匀变速直线运动规律的知识才能理解,不利于学生对加速度概念的新课学习.采用DIS技术改进该实验的原理,直接在物体运动方向上若干个位置安装光电门,测量运动速度与时间的关系,通过计算机输出速度-时间图象,如图1所示,更容易理解加速度是速度随时间的变化率.
3 创新模式
创新模式就是根据实验教学需要,采用DIS实验系统开发出非常规实验的DIS技术应用模式.物理教学中会遇到常规演示实验只能做定性演示,有的物理现象无法用常规器材进行演示的情况,以及有些常规探究实验开设难度较大等情况.引进DIS技术,可以根据教学需要进行实验教学的创新,在一定程度上改变常规实验的困境.
3.1 化定性常规演示为定量DIS演示
在教学中,有些常规演示实验采用的是定性演示,让学生观察物理量变化的大致趋势,但是,总结出来的规律或定义关系,却是确定的物理表达式,这样的演示显得教学过程不够严谨.应用DIS技术,可以化定性演示为定量演示,在演示现象的同时,可以通过DIS图象了解物理量之间的定量变化关系.例如,向心力演示实验,常规实验采用向心力演示仪,在演示向心力F与角速度ω的关系时,只能定性地说明在质量与半径相同的情况下,角速度ω大的质点做圆周运动的向心力F越大,并不能说明F与ω是什么函数关系.而采用DIS技术,通过力传感器测量向心力大小F,通过光电门测量圆周运动的角速度ω,在电脑软件里面同步显示并拟合出F-ω2曲线,有助于定量化得到向心力的定义式.
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