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2018年4月学习资料

作者:佚名 来源:本站原创 录入者:范建华 发布时间:2018年04月08日 点击数:

计算机在中学物理实验中的应用

摘 要  着重论述了中学物理实验中计算机模拟实验和采集处理数据两方面内容.并给出了简单的实例

关键词  物理实验  计算机辅助教学  计算机接口技术

计算机应用于物理实验教学,有它得天独厚的优势,必将使物理实验教学上一个台阶。计算机在物理实验中的应用主要表现在三个方面:1)数据处理; 2)计算机模拟实验; 3)用计算机采集处理数据。

1 用计算机处理实验数据

计算机具有运算速度快的特点,因此在处理实验数据方面得到了很快的发展。如用计算 机进行求平均数、最小二乘法、用逐差法处理数据、解方程等运算。另外计算机也具有很强的图形处理能力,应用计算机还可以拟合图线,求经验公式等。

2 计算机模拟物理实验

中学物理教学内容对学生的抽象思维能力提出了较高的要求。学生在分析问题时要借助 于实物的帮助,才能对物理现象进行抽象思维。教材中有相当内容没有与之配套的直观教具,有些内容涉及微观或宏观过程,无法在课堂教学中进行演示。由于必要的直观演示不足,所 以有些抽象的物理概念、物理规律未经感性认识阶段而直接上升为抽象的理论,使得抽象思维较弱的中学生难以认识这复杂的世界,造成了中学物理难教难学的被动局面。用微机作为 辅助教学的工具,则可充分发挥它的优势,在传统演示教具中无法涉及的地方大显身手,弥补学生直观感觉的不足,减少其抽象思维的难度。

1)强化直观感觉  微机由于具有彩色作图的功能,所以在演示实验中可利用图形的变化来激起学生的好奇心和兴趣,并可补充演示实验的不足。例如,在讲解光的双缝干涉时,演示实验必须在暗室进行,学生对单缝及双缝对于干涉条纹形成所起的作用印象不深刻。若用微机来模拟双缝干涉实验,则无须在暗室就能模拟双缝干涉的原理。学生在荧光屏上看到七条彩色纹所代表的白光,由狭缝射入并经双缝分成两束相干光源。由于各色光的波长不同,相邻同色亮条纹之间的宽度也不同,因此在中央由七条彩色条纹组成的白光,两边出现彩色纹,并且紫光在内红光在外。整个过程都呈现在学生的视野范围内。它不但弥补了常规演示的不足,同时声音和色彩也给学生留下了直观印象,使学生注意力集中脑、眼、耳等器官同时工作,加深了感知程度,提高了学生动态思维的能力。

2)建立物理模型  探索物理问题时不仅要从实验出发,同时要忽略次要因素,抓住反映 过程的主要因素和本质来形成物理模型,这是研究和学习物理学的一种很重要的方法。在常规演示中,往往无法突出其主要矛盾,学生容易被表面现象所迷惑。如布朗运动从显微镜中只能观察到花粉颗粒在非常缓慢地移动,无法观察到它运动的原因在于液体分子对它碰撞的不均匀性。若用微机来模拟,学生就会看到一个大的花粉颗粒在不停地受到来自各个方向小的液体分子碰撞,花粉颗粒的移动正是由于液体分子碰撞的结果。花粉运动的不规则性恰好反映了液体分子运动的不规则性,使学生牢牢掌握分子杂乱无章的运动正是布朗运动的本质。因此,在一定范围内,直观、具体有时甚至是夸张的模拟却能协助学生化抽象为具体,逐步建立起一个个物理模型,最大限度地发挥学生的创造力和想象力。

 3)展现宏观或微观世界  物理学所研究的物体小到微观粒子,大到宏观天体,有些内容用普通办法无法向学生演示,虽然可用挂图等来描述,但不能反映其动态的变化规律。在这方面微机的辅助教学是可以发挥很大作用的。如在讲解开普勒定律时,微机能为学生描绘一幅天体运动图像。行星围绕太阳运转时,其轨迹为椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上,行星和太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等等概念。在微观领域,可用微机来显示带电粒子在磁场中运动、电子的能级跃迁、PN结的形成过程等现象,化微观为宏观模拟,这样的演示 实验形象生动、活泼,可以调动学生的注意力, 使学生在轻松、愉快的气氛中学习,极大地调动了学生探索自然的兴趣。

4)显示实验的中间过程有些演示实验,我们一般只能看到其最后的结果,而形成结果的原理却很难反映,给学生带来了一定困难。例如在示波器的使用中,学生只能从荧光屏上看到各种各样的图形,对这些图形在形成过程中与电场的关系不甚明了。用微机模拟时,可显示一剖开的示波管,再把电子在电场中运动的轨迹显示在屏上,改变各种条件,可使电子束的轨迹发生变化,然后把内部构造与示波器的外部旋钮相联系,可使学生理解各部分的作用,其效果就很显著。

5)代替危险性较大的实验演示  如核裂变等内容由于条件及危险性的限制,不可能用于演示。但如用微机来模拟核裂变的内容,可以看到在核裂变时不断有能量释放,使学生有一种身临其境的感觉.

当然物理学的学科特点是实践性、实验性。用模拟实验替代真实物理实验,特别是替代一些本身操作不复杂的实验,会大大降低学生对物理世界的感性认识,降低学生对物理环境的体验。特别是降低对物理实验直接的感受能力。这对于学科科学方法的学习,观察能力、发现能力、创造能力的培养和物理概念的形成都是不利的。对于能够在现实中完成的演示实验,如气体定律、楞次定律、光的色散等,应坚持以真实实验为主,让学生了解实验的全过程,让学生在观察、体验、感受实验中,积极思维,发现提高。

用计算机模拟物理实验应集中在一些不可为实验(如原子弹爆炸、天体运动)、危害性实 验(如放射性衰变)、过程性实验(如电容器充电、放电时极板上电量的变化)和原理性实验(如示波器内粒子的轨迹)等方面。模拟实验必竟是机器在程序控制下完成的,实验过程是人为安排的,实验条件和有关因素是提前设计的,实验结论也都是预先确定好的。因此,与实际的物理实验相比,其真实度是比较低的。

3 用计算机采集处理数据

把现代科技中微机实时测量技术引用到实验教学中。利用电脑做实验终端,通过接口电 路、传感器和常规仪器共同完成物理量的测量,观察物理现象,探索物理原理。利用微机接口技术可以完成一些常规仪器难以完成的实验,验证有关公式、定律,提高测量精度和实验效果。有利于学生在实践操作活动中掌握知识,培养能力,提高对实验的兴趣,以及创造力的培养和高素质的形成,符合我国实验教学改革的方向。将计算机作为现代化教学手段,并非仅仅限于教学软件的操作,计算机作为一个有效而强有力的工具,还应充分发挥其硬件、接口的功能与作用,作数据实时采集、处理是计算机的重要功能,某种意义上更符合演示实验的教学规律。

物理教学常用的实验方法是将待测的物理量转化为电压信号,通过示波器等显现出变化 过程。有一些演示实验,如RAC的暂态过程、通断电自感现象等,用传统的方法效果不明显。 而用模/数(A/D)转换方法对这类信号采样,在计算机屏幕上实时再现原信号并存储数据,以便进一步处理。充分利用微机处理信号的功能,可将结果在微机屏幕上显示,增强演示效果。

用计算机采集处理实验的方法,不仅适合于定性研究,也适合定量研究;不仅适合中学 物理实验研究,同样也适合大学普通物理实验及演示实验研究;不仅可以适合电压信号的采集处理,同样也适合非电压信号的采集处理,只要用一些适当的传感器(热敏电阻、光敏电阻、 光电管、压电陶瓷等)将非电压信号转换成电压信号即可;不仅可以适合如电压信号等模拟量的采集处理,同样也可以适合数字量(如光电门信号、光电编码盘信号等)的数据采集处理;不仅可以适合演示实验,也适合于学生实验等。

以下将此方法以断电自感现象为例,介绍模/数转换实现对电压信号的采集处理及其在物理实验中的应用。

1) 工作原理图1为采样原理图,A/D转换器由AC1056线路板提供,A/D转换以差动方式输人,增益为2,精确度为0.05%,建立时间为20Ps。采样间隔时间由定时器8253控 制,可通过软件来改变采样时间。

 

2) 断电自感的采样实例在断电自感实验中(图2),要想使小灯泡在断电瞬间出现闪亮现象,则要求流过小灯泡的感应电流大于原来的稳恒电流。因此对电感的自感系数A及其直流内阻和小灯泡的内阻尺。要有一定要求,否则实验现象不明显或不成功。而用计算机进 行采集处理,则效果更明显。如图2所示,将小灯泡两端的电压信号输人到A/D转换器的 一个通道,进行采样处理。实验中用J2425型变压器原理说明器作为电感。

a.使用200匝线圈时,小灯泡明显地“猛然一亮”。用计算机采样的处理结果如图3所示。从图中可以看出:感应电流明显大于稳恒电流,且二者方向相反。Ro,R,L的值比较合适,具有一定的时间常数,所以能看见小灯泡“猛然一亮”。

b.当使用100匝线圈时,小灯泡无明显的“猛然一亮用。计算机采样的处理结果如图4 所示。从图中可看出虽然感应电流明显大于稳恒电流,但由于Ro,R,L的值搭配不合适,即L/V尺较小,使得时间常数较短,所以来不及看见小灯泡“猛然一亮”。而感应电流是存在的,即有自感存在。

c.当使用800匝线圈时,小灯泡也无明显 的“猛然一亮”。用计算机采样的处理结果如图5所示。从图中可看出虽然时间常数较大,但由于线圈内阻较大,感应电流明显小于稳恒电流,所以也看不见小灯泡“猛然一亮。

 

因此,通过实验采集图象可发现,只要有电感,就有自感现象。所谓的小灯泡“猛然一亮”,是有条件的,小灯泡不能“猛然一亮”,不能说明没有自感。

4 参考文献

1 阎金铎等.中学物理教材教法.北京:北京师范大学出版社.1998

2 宓子宏.物理教育学.杭州:浙江教育出版社,1992

3 杨素行等.微型计算机系统原理及应用.北京:清华大学出版社,1997

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