计算机数据采集技术在物理教学中的应用——以有关绿色能源实验为例

计算机数据采集技术在物理教学中的应用
——以有关绿色能源实验为例

谭国锋

(杭州第二中学浙江 杭州310053)

摘 要：介绍并论述了PASCO数据采集系统在高中物理课程教学中的应用，包括在太阳能电池光电特性、法拉第定律和电解槽的电解效率等方面的实验研究.

关键词：数据采集课堂教学传感技术

收稿日期：(2014-12-01)

1引言

教育部《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见(教高〔2014〕4号)》明确指出课程改革要增强时代性，充分体现先进的教育思想和教育理念，学习内容要符合学生不同发展阶段的年龄特征，紧密联系学生生活经验[1].

本文介绍一种基于计算机数据采集与传感技术的绿色能源实验，把基于计算机数据采集的“大数据”与“传感器”技术用于高中物理教学中，使学生对电学、光电效应、能量转化有更全面的认识，加强学生对物理与生产、生活实际和科技发展联系的认识，从而引发学生的学习兴趣，进一步提高学生的实验技能和创新能力，符合新时期课改的要求[2].

2实验原理与方法

2.1PASCO系统简介

PASCO系统是采用传感器和数据采集口、利用电脑进行控制和数据采集的实验系统，装置如图1所示.其数据取样率最大可达10 M，可以实时测量一些瞬态变化的物理量，以便实时监控；现有传感器120多种；实验数据采集处理平台，包括数据、图表、视屏显示、拟合、FFT工具、实验数据过程回放、视屏分析处理、实验日志等[3，4].

图1　PASCO数据采集系统

2.2实验原理

绿色能源实验系统由太阳能电池板、电解槽、燃料电池、用电器组成，结构框图如图2所示.其基本原理是利用太阳能电池将太阳能转换成电能，通过质子膜电解槽来电解去离子水，将水电离成氢气和氧气，将氢气和空气在燃料电池中进行化学反应从而进行电能输出.同时也可直接将太阳能电池板用作电源给负载供电.实验采用“排水集气法”收集电解水所产生的氢气和氧气，更生动直观，而且更注重气体的回收利用.

图2　绿色能源存储系统开发的结构框图

2.3实验装置

新能源实验装置如图3所示.实验可做内容有太阳能电池板的性能测试、电解槽的电学性能测试、电解水效率的测试、燃料电池的电学性能测试、太阳能电池板供电实验等.数据采集与处理采用PASCO系统，因为传统的物理测量方式更适合工业时代的需要，而现在已经是信息时代了，大数据与工业互联网已真正相结合，PASCO系统的融入有利于学生学习“大数据”的概念[5,6].

图3　太阳能氢氧燃料电池实验装置图

3PASCO绿色能源综合测试

3.1太阳能电池板的电学特性实验

通过改变光源与太阳能电池板间的距离，观察太阳能电池板的光电流和空载电压(即电池电势)随光源与太阳能电池板距离的变化而变化.太阳能电池板的电学特性实验数据如图4和图5 所示.

图4　光电流随光照距离的变化

图5　太阳能电池电势随光照距离的变化

实验结果表明太阳能电池板电流、电压随着与光源间的距离越来越大而越来越小，及光照强度大，太阳能电池板所产生的电流、电压也大；反之，小而小，但两者间距离不可过小，以免造成损坏.

3.2太阳能电池的伏安特性实验

通过对太阳能电池的伏安特性曲线的测量可以得到太阳能电池的工作性能，并能够得出其最大功率点(MPPT).太阳能电池的伏安特性实验数据如图6和图7所示.

图6　电压与功率的关系

图7　电压与电流的关系

3.3法拉第定律和电解槽的电解效率

法拉第定律描述的是通过电解槽上的电流大小与气体产生量之间的关系.电解槽的电解效率为实际气体产生量与理论气体产生量之比.法拉第定律和电解槽的电解效率数据如图8和图9所示.

图8　电解槽电流时间特性

由图9可以得到电解产生20 mL气体功率的时间积分为274.44 W·s.由图8可得电流的时间积分为168.92 C，VH(实际值)=20 mL，VH(理论值)=21.77 mL，电解槽的电解效率为91.85%.能量效率等于产生30 mL氢气消耗的能量与能量消耗总值之比，为92.88%.

图9　电解槽功率时间特性

3.4法拉第效率与燃料电池的化合效率

与电解槽电解效率相似，仍使用法拉第定律来计算燃料电池的效率.法拉第效率与燃料电池的化合效率数据如图10和图11所示.

燃料电池功率对时间的积分为63.26 W·s

∑I(t)t=78.49 A·s

10.18 mL

法拉第效率为

燃料电池的能量转化效率η为58.57%.

以上一些实验的尝试，开拓了笔者在教学方面的新思路，对新科技在物理教学中的应用有了新的思考，缩短了基础物理教学与新科技的距离，是一种比较好的尝试.

图10　燃料电池电流时间特性

图11　燃料电池功率时间特性

1教基二〔2014〕4号 关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见

2http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm．国家中长期教育改革和发展规划纲要

3www. anpico.com.美国PASCO公司.通用接口850及配套软件Capstone使用实验手册

4http://www.pasco.com/.美国PASCO公司.“科学工作室”实验系统[EB/OL]

5张伟，蔡颖标．基于PASCO平台的法拉第磁光效应实验.物理实验,2011，31(7)：33～36

6郑少燕，林淑淇，李德安，等．基于PASCO系统的加速度研究．物理实验,2013,33(4):21～23

Application on PASCO Data Collecting

System in Physics Teaching

Tan Guofeng

(Hangzhou No.2 High School,Hangzhou,Zhejiang310053)

Abstract：In this article, we introduce the application of PASCO Data Collecting System in photovoltaic effect of the solar battery, Faraday′s Law of electrolysis and the electrolysis efficiency of electrolytic tank in physics teaching in high schools

Key words:data collection; classroom teaching; media technology