数字化实验设备在初中物理实验中的应用

摘要

为贯彻和落实新的课程标准，提高物理实验教学效果，在传统的仪器设备上，增加相应的数字化实验设备，可增加实验的操作性、实现实验效果可视化、提升实验数据的准确性，最后得出相应的物理规律。

关键词

数字化实验设备 / 定量 / 可视化 / 物理实验

《义务教育物理课程标准（2022年版）》^［1］指出，科学探究的四要素为问题、证据、解释、交流。要实现以上目标，须根据学校与学生的实际情况，设计相应的实验，以实验或综合实践活动为载体，利用一些容易获取的数字化实验设备，开展相应的演示与分组实验。以下是在物理教学过程中使用数字化设备的实验教学案例。

1 数显测力计与数显压力计

数字式测力计在探究重力的大小跟质量关系这一实验过程中，可以很好地记录数据，画点描线，总结出物体所受的重力跟它的质量成正比的物理关系。使用数显测力计和压力传感器配合，可以证明作用力与反作用力方向相反、大小相等，作用在不同的物体上。在数显测力计上装上圆形探头，垂直放置在压力传感器的中央，压力传感器跟配套的数字显示器连通，数显测力计上显示的力跟压力传感器上所承受的力大小一样，数显测力计显示力的方向竖直向上，跟它本身的重力相等。在探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系实验中，可以快速精确地多次测量物体所受的重力、物体在水中时测力计的读数、小桶和排开水所受的总重力、小桶所受的重力。利用物体在水中静止时受力平衡关系式F_{\mathrm{浮}}=G_{\mathrm{物}}-F_{\mathrm{示}}算出F_{\mathrm{浮}}，跟排开水所受重力G_{\mathrm{排}}进行对比，根据实验结果可以表明：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开液体所受的重力，得出阿基米德原理。

在势能这一节，设计实验过程可以用数显压力计，长约55 cm和16 cm有机玻璃圆管，重约66 g与15 g的钢球进行实验，利用控制变量法，分别对比高度一样、质量不同的物体沿着玻璃管下落撞击压力感应器的力，质量一样，高度不同，测出撞击的力，从而反映出物体的质量越大，位置越高，它具有的势能就越大，这个实验实现了由定性实验到定量实验的转变。

2 高精度数显电压表和电流表

数显电流表电压表可以应用于初中整个电学实验，比如串并联电流电压的规律，电流与电压和电阻的关系，测量小灯泡的电功率，磁生电相关实验等。在探究电流与电压和电阻的关系进行学生分组实验时，电源用数显学生电源，电压可连续输出调节，电阻可以分别用5 Ω、15 Ω，灯泡用额定电压为6 V的小电珠。根据测得数据画出I-U图象，得出结论：在电阻一定的情况下，通过导体的电流与导体两端的电压成反比，描点连线得出来的是一条直线。小灯泡的灯丝电阻随着温度变化而变化，电流与电压不成正比，描点连线得出来的是一条曲线。另外，在电功率这一节中，用数显电压表和电流表分别测量3 V的LED灯小灯泡正常发光和2.5 V小灯泡刚好发光时的电流和电压，算出他们的实际功率进行对比，可以得出不同灯泡的亮暗程度不跟灯泡的实际功率成正比，也就是不同规格灯泡的亮暗程度并不反映其实际工作的功率大小。

3 免驱动USB防水温度传感器与数显温度计

在探究相关温度变化规律的实验中，学生分组实验可以用数显电子温度计代替传统的实验室温度计，数显电子温度计体积大小合适，能刚好夹在铁架台上，测温范围是-18～110 ℃，工作电压1.5 V，探头是1 m防水探头，由1粒纽扣电池供电。例如在做水沸腾这个实验时，选用100 mL的小烧杯，盖子用木质材料，在上面打上稍微大于探头与玻璃棒的孔，将探头与玻璃棒用透明胶绑在一起，穿过盖子插入小烧杯中，上端用铁架台的夹子固定，让金属探头完全浸没在水中，放上酒精灯。这样一套完整的探究水沸腾温度变化规律的学生分组实验装置，可以通过读取数显温度计的示数记录数据，在温度-时间坐标轴上描点连线，从而总结出实验规律。

利用数显温度计，可以解决传统实验室温度计量程问题，因为实验室大气压不一定是标准大气压，所以沸点也不一定是100 ℃。电子温度计读数方便，能很好地准确记录数据，提高实验效率。在熔化和凝固这一节课中，课本设计的实验是探究海波和石蜡熔化过程中温度的变化规律。在现实生活中，学生容易接触到冰块，可以利用冰冻饱和食盐水、双层玻璃杯、小试管、数显温度计、铁架台、水、机械停表这些实验器材探究水凝固成冰过程温度变化的规律，将饱和食盐水放于冰箱冷冻室一晚，往小试管里面加入没过温度计探头的水，然后往玻璃杯里面倒入适量的冰盐水，每隔30 s记录一次温度并观察小试管里面水的变化，可以看到小试管中的水慢慢结成冰的过程，通过记录的数据总结出水凝固成冰这一过程温度变化的规律，在凝固过程中会出现一段温度不变的数据。

4 数显电子秤

在探究同种物质的质量与体积的关系分组实验中，采用数显电子秤来代替天平测物体的质量，电子秤广泛应用于生活中，操作简单，测量精准，且带有去皮置零功能。在实验过程中，学生将待测物质分为4列，第1列为体积成倍数增加的铝质圆柱体，第2列为体积成倍数增加的铜质圆柱体，第3列为体积成倍数增加的木质立方块，第4列为浓度不同的盐水。在基于初中学生原有知识的基础上，用游标卡尺和直尺测量与计算固体体积，用量筒测量液体体积，在测量质量时配合使用1只100 mL的小烧杯。这样用数显电子秤，能高效精准测量多组物体的质量。这个分组实验在物态上有固体和液体，在形状上有圆柱和立方体，使得整个分组实验数据多样化，达到了探究实验的目的。根据实验数据画出质量与体积的坐标图线，从而得出同种物质的质量与体积的关系，同种物质的质量与体积的比值是一定的，物质不同，比值一般也不同，从而引出密度的概念。在测量盐水和小石块的密度学生分组实验过程中，也可用数显电子秤测量小石块、烧杯和盐水、烧杯和剩余盐水等相关的质量，这样可以精准获取实验数据，高效完成分组实验，从而保障实验课顺利进行。

5 数显大气压强计

在大气压强这一节中，可设置这样一个实验，所用器材为：真空罩、真空泵、吸盘、数显气压计。将吸盘吸在真空罩里面的顶部，并提出问题：吸盘吸在真空罩顶部的原因是什么？然后将大气压强计放入真空罩里面，记录开始的大气压强，利用真空泵对真空罩抽气，并观察里面大气压强的变化与实验现象，可以看到，随着气压计的示数变小，里面的气压下降，吸在真空罩上面的吸盘掉下来，从而证明吸盘是在大气压强的作用下吸在上面的。

在证明大气压强跟高度关系这一知识点中，用锥形瓶（有带孔活塞）、玻璃管、红墨水等器材组装1个探测大气压强跟高度关系的装置，在锥形瓶上装2/3的红墨水，往里面吹满空气，然后快速将活塞塞紧，在大气压强的作用下，玻璃管中的液面高出锥形瓶里面的液面，在玻璃管的液面处作一个标志，由高楼层移动到低楼层，玻璃管中的液面下降了，说明外界的大气压变大，由低楼层到高楼层，可以看到玻璃管中的液面上升，说明外界的大气压变小了。这一实验现象证明大气压强随着高度的增加而变小。这一实验是从定性方面推理得出来的，利用数显大气压强计，即可以在不同的楼层测出相对应的大气压强具体数值，然后进行对比，得出实验结论。

6 数显功率计

功率计能测出用电器的实际工作功率，上面能显示实际的电流、电压、功率、用电量。通过测量电吹风和热水壶工作的实际参数，可以验证公式P=UI和W=Pt，将用电器铭牌上标的额定参数与实际工作参数进行对比，说明额定电流、电压、功率与实际电流、电压、功率概念之间的区别。在测量热水壶煮水效率实验中，用功率计、数显温度计、电子秒表、电子秤、热水壶、水、烧杯、铁架台等器材，测出水的质量m、水的初温T_{\mathrm{1}}、水的末温T_{\mathrm{2}}以及加热时间t，读取功率计上的用电量W，用公式Q_{\mathrm{吸}}=C_{\mathrm{水}}m(T_{\mathrm{2}}-T_{\mathrm{1}})，\eta =Q_{\mathrm{吸}}/W即可以得出热水壶的效率。

7 结语

通过数字化实验设备的使用，实现部分物理实验由定性实验到定量实验的转变，采集的数据多样、精确，使得实验结论更具有说服力，能高效率完成课堂分组实验与演示实验。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.