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1、用心 爱心 专心1数字化实验技术在物理实验中的应用数字化实验技术在物理实验中的应用所谓数字化实验技术，是以数字化设备为实验数据采集处理的工具、配套 其它实验器材构建的现代化实验技术。数字化数据采集处理系统，由传感器、 数据采集器和计算机组成。 以数字化实验技术为基础的物理实验，就是建立在上述实验仪器、实验技 术、实验方法基础上的物理学实验。 数字化实验，是课程标准教科书的要求和需要，也是新高考和中考的要求 和需要。也是物理学科发展的要求和需要。实验是学习和研究物理学的最基本的内容、方法和手段。实验，包括学生 实验和演示实验以及小实验等，要把传统实验和数字化实验结合起来。只有实 验，才能学到真知
2、识；只有实验，才能培养真人才；只有实验，才能真正提高 教学质量。 数字化实验，是计算机辅助实验。课程标准教科书专门安排了一些电子计 算机辅助实验，如：借助传感器用计算机测速度（教科书物理必修 1 P25） 、 用传感器观察电容器的充电和放电（选修 3-1 P31）等等。电子计算机，是现代 化的标志和体现，学生通过用计算机做实验，不仅学了物理学，也学了计算机， 可谓一举两得。 数字化实验，是新实验，不仅是新仪器，也是新方法。例如霍尔元件、斯 密特触发器等实验。一些教师开始接触，不太了解，不太熟悉，往往有把数字 化实验室闲置或充当门面。通过做实验，他们熟悉实验、熟悉仪器，并可能在 应用的过程中有所
3、创新，使数字化实验室充分发挥作用，以物尽其用。1.1. 数字化实验：传感器的应用实验数字化实验：传感器的应用实验 课程标准教科书物理不仅把传感器作为单独的一章知识内容，而且把 传感器的应用实验（选修 3-2 P70）作为学生实验和演示实验，新的高考大纲中 也把“传感器的应用”实验作为高考内容。传感器在现代生活和工业、科技中 也有广泛的应用，学生在实验中接触和了解传感器，对他们的高考和将来从事 科学研究及工农业生产也不无帮助。 实验实验 1. 传感器的应用实验传感器的应用实验光控开关光控开关用心 爱心 专心2简简单单光光控控开开关关 背背景景资资料料： 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中
4、便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带， 并在价带中产生一个带正电荷的空穴， 这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目， 使其电阻率变小， 从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 施密特触发器在数字电路及控制领域有广泛的应用，它属于电压触发方式，当输入电压达到某一阈
5、值时，输出电压会发生突变，最重要的一点是，输入电压增加或减少时，电路有不同的阈值电压。以下图 1 为例 图 1 当输入电压Vi，当输入电压由低电位开始增加，如果Vi Vp状态开始减小时，当电压减到Vi =Vn时，输出电压Vo突变为高电平。施密特触发器的一大特点是Vp Vn，Vh=Vp- Vn，以型号 HEF40106B 施密特触发器为例 图 2 把D DV接上5V稳压电源，SSV接地时，Vp= 3. 0V，Vn= 2. 2V， 而0.8VhV。用心 爱心 专心3图 2 是型号 HEF40106B 触发器的引脚示意图，由图可以看出，在同一块集成片上分别做了 6 块独立的施密特触发器，如果使用第
6、1 块，只需要在1i接输入电压，在1o接输出电压，然后分别把D DV到稳压电源，SSV接地，就可以工作了。 实验原理：实验原理：图 3将电路按图 3 连接，GR为光敏电阻，1R，2R为电阻箱，LED为发光二极管，A 点为施密特触发器的输入端，Y 点为施密特触发器的输出端。适当选择1R，2R的阻值后，当外界光线很强时，GR上的电阻相对比较小，A 点的电压小于Vp，Y 点输出高电位，发光二极管两端的电势差很小，因此不能发光，当外界光线变弱时，GR上的电阻显著增大， A 点的电压也显著增大，当增大到Vp= 3. 0V时，Y 点输出低电位，发光二极管两端有大约 5V 的电势差，发光二极管开始正常发光，
7、如果光线强度又进一步开始回升，GR上的电阻减小，A 点的电压也开始减小，当 A 点的电压小于Vn= 2. 2V时，Y 点又输出高电位，发光二极管熄灭。为了更直观地了解整个电路工作过程，在分别用两个电压传感器对 A 点和 Y 点的电压进行实时测量，光强传感器测量，显示外界光线变化对电路的影响。实验目的：实验目的：了解简单光控电路，对自动控制有初步理解。实验装置：实验装置：计算机，数据采集器，光强传感器，两个电压传感器，两个电阻箱，施密特触发器，用心 爱心 专心4发光二极管，导线若干，学生直流电源。实验步骤：实验步骤：1先按电路图连接各个器件，并注意发光二极管的极性，和施密特触发器的引脚，具体情况
8、可以参照前面的示意图，将D DV接到稳压电源的正极，SSV接到稳压电源的负极，1i接输入电压对应电路中 A 点，1o接输出电压对应电路中 Y 点。2调节1R，2R电阻箱的阻值，选择合适的电阻，将两个电压传感器与数据采集器的1，2 通道连接，把光强传感器连接到 3 或 4 通道，然后将数据采集器与计算机连接，开启采集器电源，进入实验专用界面。3把两个电压传感器的两个信号输入端的分别导线短接，对电压传感器进行较零，然后把连接 1 通道电压传感器的信号正极接到电路中 A 点，同时把它的负极接到稳压电源的负极，也就是电路中的地，然后把 2 通道电压传感器的信号正极接到电路中 Y 点，同时把它的负极接到
9、稳压电源的负极。4把光敏电阻的感应面朝上，将光强传感器与光敏电阻放置在一起，在采集间隔和采集数量窗口输入合适的数值，点击开始按钮。5用一块大的挡光物将光敏电阻附近的光线慢慢挡住，观察实验数据曲线，同时注意二极管的发光情况，当它开始发光以后，再慢慢把挡光物撤掉，结束实验。实验数据记录与分析：实验数据记录与分析：1输出电压与输入电压曲线用心 爱心 专心52外界光强与输出电压数据关系用心 爱心 专心6本次实验中11500R ，22000R ，从图上可以看出当光强为139Ilux时，发光二极管发光，而当光强为244Ilux时，发光二极管熄灭。2.2. 数字化实验：探究性实验数字化实验：探究性实验 课程
10、标准教科书不仅把原教科书的一些验证性实验改为探究性实验，而且 新安排了一些探究性实验。这些探究性实验，用数字化实验仪器和方法去做， 更为便捷。例如探究加速度与力、质量的关系（必修 1 P75） 、探究功与物体速 度变化的关系（必修 2 P17）等实验。通过探究性实验，提高学生研究、探究的 能力，为培养创新能力打好基础。 实验实验 2. 探究（恒力做）功与物体速度变化的关系（动能定理）探究（恒力做）功与物体速度变化的关系（动能定理）用心 爱心 专心7动能定理 （恒力） 实实验验原原理理 牛顿第二定律讲述的是力与加速度之间的瞬时关系，表达式为： F = m a （1） 其中，F 是作用在物体上的合
11、外力，m 是物体的质量，a 是物体的加速度速度的时间变 化率，表达式为： tva 或 dtdva （2） 把（2）式代入（1）式，并将（1）式两边对位移积分（由 x1到 x2） ，可以得到： W = Fdx = mv22/2- mv 12/2= (mv2/2) = E k (3) 其中，W 为从 x1到 x2的区间内，合外力 F 的功，v1 和 v2分别为物体在 x1和 x2处的速度， E k为物体的动能。也就是说，合外力的空间积累效应表现为物体动能的改变。 在本实验中，我们探究在恒定拉力的作用下，小车的动能随时间变化的关系。其中，拉 力由力传感器测得， 速度由固定有挡光滑轮的光电门传感器测得
12、， 动能由速度的平方乘以质 量的一半得到。 实实验验目目的的 通过对（恒定）拉力和速度的测量，探究合外力的功与物体动能变化的关系。 实实验验装装置置 SWRDISLab-100III 数据采集器、光电门 (Photogate) 传感器、力传感器、动力学系统(包括 导轨、小车、滑轮和支撑杆等)等。 实实验验步步骤骤 1. 按图连接实验装置（注意平衡摩擦力） ； 2. 测量并记录小车和钩码的质量（第 1 次：小车 402.81g，钩码 19.91g） ； 3. 打开 SWRDISLab 软件，点击“教学专用软件” ，进入“物理实验列表”中的“力学” 部分，选择“动能定理（恒力Photogate）
13、” ； 4. 点击“校零”按钮，对力传感器进行校零； 5. 设置“采集间隔”为 5ms， “采集 200 个暂停” ，以及“共采集 200 条数据” ； 6. 让小车静止在靠近光电门传感器的一侧（钩码将细绳拉紧） ，点击“开始”按钮； 7. 当“开始”按钮的颜色变“灰”时，释放小车； 8. 当小车运动到靠近支撑杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮； 9. 观察“力位移” 、 “速度位移”和“动能位移”关系曲线的特点； 10. 任选一个位移区间，对力进行积分，并比较积分值和两个区间端点处动能的差； 用心 爱心 专心86.当“开始”按钮的颜色变“灰”时，释放小车； 7. 当小车运动到靠近支撑
14、杆时，使小车停止运动，然后点击“结束”按钮； 8. 观察“力位移” 、 “速度位移”和“动能位移”关系曲线的特点； 9. 任选一个位移区间，对力进行积分，并比较积分值和两个区间端点处动能的差； 10.改变钩码和小车的质量，重复步骤 610（第 2 次：小车 402.81g，钩码 30.35g） 。实验数据的记录与分析实验数据的记录与分析a)“力、速度 vs. 位移”图表（小车 402.81g，钩码 19.91g）：由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后两组读数） ，随着位移的 增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线）和动能（下方的蓝色曲线）不断
15、增加，速度的变化率不断减小，但是动能的变化率几乎 恒定。b)力做的功与动能的变化（小车 402.81g，钩码 19.91g）：用心 爱心 专心9如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为SFW0.0630 J，两个区间端点 处动能的差为 0.0594 J（= 0.08320.0238） ，力做的功略大于动能的变化，二者近似相 等，相对误差为 5.71 %。3 “力、速度 vs. 位移”图表（小车 402.81g，钩码 30.35g）：由图可知，从静止释放到制动前（去掉对应制动过程的最后 4 组读数） ，随着位移的 增加，小车所受的拉力（中间的红色曲线）几乎不变，小车的速度（上方的绿色曲线） 和动能（下方的蓝色曲线）不断增加，速度的变化率不断减小，动能的变化率几乎恒定。4 力做的功与动能的变化（小车 402.81g，钩码 30.35g）：用心 爱心 专心10如图所示，在所选的位移区间内，力做的功为SFW0.0911 J，两个区间端点 处动能的差为 0.0870 J（= 0.12690.0399） ，力做的功略大于动能的变化，二者近似相 等，相对误差为 4.50 %。误差分析误差分析 1 滑轮与力传感器挂钩之间存在摩擦力，使得力传感器测得的读数大于小车拉力的二 倍； 2 随着速度的增加，小车受到的（滚动）摩擦力略有增加； 3 拉力做功的一部分转化为两个滑轮的
