DIS与电容器实验的整合

于海富

摘 要： 近年来，DIS作为崭新的实验辅助设备系统，正逐步应用于初高中学生的物理实验教学中，本文以几个具有代表性的电学实验为例，介绍了DIS与传统电学实验的整合。

关键词： DIS 电学实验 电容器 整合

初高中物理实验中的电学部分是教学的一大难点，由于这部分知识抽象且难于理解，利用传统教授式教学，学生学起来很吃力。如果电学部分借助实验来教学，则可使抽象的电现象形象化、直观化，将更有利于学生的学习。但是利用传统的实验仪器进行实验，实验数据处理繁琐，并且误差较大，往往大量的时间和精力都花费在数据处理上而忽略对实验现象及规律的探讨，使教学效率大大降低。

DISLab为中学物理开设了全新的实验平台，并且正逐步应用于中学物理教学中。DIS与物理教学的整合是实现教学方式转变的有效途径之一。

在中学物理教学中，由于电学现象比较抽象，学生普遍感到学起来比较困难。传统实验手段很难使学生对电学现象有一个形象直观的印象。如电容的充、放电过程为一个暂态过程，并且变化过程很短暂，利用传统实验手段学生很难观察到暂态变化过程。而利用DIS实验系统可以很容易使暂态变化过程形象直观地展现在学生面前。

1.利用DIS研究电容器的冲、放电过程

如图1所示，取电容值为100接入学生电源选择电压为直流6v，调节电阻箱电阻为10k。将DISLab电压传感器并联在电容器两极间。打开DISLab教材通用软件，计算机自动将电压传感器采集到的电压信号动态显示在屏幕上。将单刀双掷开关打到1，电容器充电；一段时间后，充电完毕，电容器两极板间电压为一恒定值，然后将开关打到2，电容器放电。电压传感器自动将采集到的电容器两极板间电压随时间变化的图线记录下来（如图2）。由图2可以看出，电键打到1，电容器两极间电压在很短时间内达到最大，单刀双掷开关打到2时，电容器两极间电压逐渐减小至零。

图2 电容充放电图线

DIS系统将电容器充放电的暂态变化过程动态形象地演示出来。利用DIS的动态演示功能可以研究通电螺线管的自感现象。

2.利用DIS研究电容器串联和并联时电容的大小

按照图3连接电路，电压传感器并联在电阻R两端。打开DIS通用软件，在绘图界面的控制面板区点击添加“电压—时间”图线，将单刀双掷开关置于1位置，电容器开始充电，一段时间后，再将单刀双掷开关置于2，电容器开始放电。计算机自动采集电容器放电过程中电压随时间变化的图线（如图4所示），当电压传感器示数减为零后点击停止。

图3 电容器充放电

原理图

图4 电容器放电电压-时间

通过以上演示实验看出，在电容器放电过程中，电容器两极间电压是变化的。如果求出放电过程中电压对时间的积分，再除以放电电阻R就可以得到电容器电量Q。由电容器的电容定义式C=■可知，只要测得电容器充、放电时的最大电压U，那么根据电容器的定义式就可以计算出电容器的电容大小。

利用DIS测量电容器的电容，并验证电容器串、并联后电容的计算公式■=■+■，C■=C■+C■。

取两个电容为100μF的电容器，电阻箱值R为10K，学生电源为直流6v，按照上述演示过程测量出电压的动态变化图像，点击控制面板中的“其他处理”，选择“积分”，屏幕上自动显示出电压的积分值，将积分值除以电阻箱阻值R，即得到电容器电量Q，再用电量除以最大电压便得到电容器的电容。改变电阻阻值多次测量，测量结果见表1：

表1 电容计算表格

数据分析：理论值：■=■+■=■+■=■，即C■的理论值为56.5μF，测量值为57.2μF，测量值与理论值的相对误差为1.2%；C■=C■+C■=107.5μF+118.9μF=226.4μF，即C■的理论值为226.4μF，测量值为228.6，相对误差为0.97%。在误差允许范围内，实验验证了电容器串、并联总电容的计算公式。

应用DIS实验系统，在研究电学暂态过程中显示了极大的优越性，它将传统实验数据“点采集”过程过渡到“线采集”，即以极小的时间间隔记录大量实验数据，亦可直接根据数量充足的数据点描绘出反映物理量变化过程的图线，有效解决暂态现象测量等实验难题。

DIS完善的数字化实验系统能够实现传统实验仪器不能进行和难于进行的实验，拓宽实验内容，填补很多传统实验的空白。在真实实验的基础上实现新课标要求的“信息技术与物理学科教学的全面整合”，在电学教学中为学生进行广泛研究提供前所未有的工具和条件，对促进学生动手能力、探究能力、归纳能力有很大帮助。DIS具有良好的应用前景，如何使DIS更好地应用于电学教学，有待继续研究。

参考文献：

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