将数字化实验融入传统实验浅探

邢海根 傅求宝

[摘   要]文章分析了用传统实验研究帕斯卡定律的缺点，如组装难度大、实验误差大等。在此基础上，提出了实验改进方向;设计了用数字化实验解决问题的方案，简述了用数字化实验研究帕斯卡定律的过程，并对两种实验进行了比较，得出数字化实验装置简单、操作方便、数据精确、实验过程连续直观的优点，通过实例总结了将数字化实验融入传统实验的优势。

[关键词]数字化实验;传统实验;融入;帕斯卡定律

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）32-0047-03

为了提高传统实验的精确性，为了能够适时连续测量，快速绘制数据间的图像，在测量某个特殊点或是某个瞬时数据时，我们就需要将数字化实验融入传统实验中。另外，当传统实验装置太复杂，观测误差较大时，就需要将装置简化，有时需要将定性研究变为定量测量，甚至通过定量测量来绘制图像说明物理量的变化遵循某种规律时，都应考虑将数字化实验融入传统实验进行研究。现以研究帕斯卡定律为例，说明何时应将数字化实验融入传统实验，以提升实验教学效果。

一、传统研究帕斯卡定律实验的缺点分析

传统实验在研究密闭气体压强向各个方向的实验时，是竖直固定3个注射器，使3个注射器的活塞处于同一高度，3个注射器的针管连接软管与三通管相连，在3个注射器的某个拉杆上端加一个砝码，另两个注射器内的活塞立即上升，再在另两个注射器的拉杆上端分别加质量相同的砝码，3个注射器的活塞最终处于同一高度，从而得出结论。传统实验研究密闭液体压强向各个方向传递的实验是取一带活塞的容器，在容器侧壁不同高度处引出3根软管，并将3根软管竖直固定，在容器內盛满水，用活塞压缩容器内的水，3根软管内的水面总是相平的，从而得出结论。这些实验装置复杂，受到摩擦力等因素的影响，实验准确度不高，教学过程中教师费时又费力，结果教学效率还不高。

二、各类研究帕斯卡定律实验的改进分析

传统实验在研究帕斯卡定律时，显示压强大小的方法是通过压力平衡，当注射器的活塞在同一高度时，就表明注射器内部气体的压强相等。显然，当不同注射器内部活塞与筒壁之间的摩擦力不同时，就会出现较大的误差。还有一种显示压强的方法是通过软管与容器中不同部位相连，根据软管内液柱的高度相同，来反映软管与容器内相连处的压强相等，由于气密性难以控制，也会出现误差。为了准确显示压强，注射器或软管要呈竖直状态，给组装带来难度。改进的方向是使显示压强的装置可以处于不竖直的位置，同时避免摩擦带来的影响，使用压力传感器或气压传感器就能避免上述问题。根据以上分析，若将数字化实验融入该实验，可对装置进行简化，同时在改变输入值时，可即时得出测量值，并能及时显示不同位置的压强值。

三、数字化实验的可行性

在探究液体传递压强规律时，先让两个注射器吸入适量的水，用盛满水的软管与针管相连，组成密闭液体的容器，使用一个压力传感器给其中一个注射器的连杆施加压力，从而使活塞给液体施加一个压强，为了测出另一个活塞在平衡状态时受到的压强，可以用另一个压力传感器压住另一个注射器活塞上的连杆。在两个连杆上施压时，要保证活塞缓慢移动。通过两个数据采集器将数据传给电脑。打开电脑与操作界面，打开“记录表格”窗口，设置变量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2，软件自动记录各个变量的大小，通过软件制作出表格，就能直接比较两个活塞上压强的大小关系。

在探究气体传递压强规律时，可将四个气压传感器的探头密封在同一个注射器内的不同位置，用手压注射器活塞上的连杆，并改变压力的大小，从而使加在密闭气体上的压强随之变化，而四个气压传感器便把注射器内不同位置的气压大小传递给电脑，打开电脑，打开“组合图线”窗口，点击“添加”，设置X轴为时间，Y轴为压强P1，继续点击“添加”，设置X轴为时间，Y轴分别为压强P2、P3、P4。这时电脑软件便能自动画出四个气压传感器传来的气压随时间变化的图像。通过图像的比较，可得出同一时刻四个传感器传来的气压值是否相等。

无论对液体，还是对气体来说，在研究帕斯卡定律时，都可引入数字化实验，可见用数字化实验研究帕斯卡定律是可行的。

四、数字化实验的设计应用

（一）用DIS系统研究加在密闭液体上的压强的传递规律

1.实验装置

装有软件的电脑1台、数据采集器1个、压力传感器2个、铁架台2个、横杆1根、平板1块、软管1根、注射器2个、水、玻璃胶等。

2.实验过程

（1）在两个铁架台之间固定一块平板及一根横杆。先将一个注射器的活塞推到底端，排除注射器内的空气，用注射器吸水，将软管注满水，注射器再吸入适量的水，将软管的一端与注射器的针管相连。

（2）在左侧横杆上固定一个压力传感器，将拉钩与注射器的拉杆上端相连，用玻璃胶将注射器竖直地固定在平板上。

（3）使第二个注射器吸入适量的水，针头通过软管（内部已吸满水）相连。手持第二个注射器在平板上移动，使两个注射器内的液面等高，用玻璃胶将第二个注射器也竖直固定在平板上，如图1所示。

（4）将实验装置放于水平桌面上，连接好数据采集器、两个传感器，打开电脑与操作界面，打开“记录表格”窗口，设置变量F1＼F2＼S1＼S2＼P1＼P2。并且设置S1=1.2，S2=1.34（根据注射器的容积与液体在注射器中的长度计算得到），调零，点击“开始”，手持第二个压力传感器与右侧注射器上方的拉杆接触，缓慢按下压力传感器（压力记作F1），软件记录其他各个变量，如图2所示。

3.实验结论

加在密闭液体上的压强，能够大小不变地被液体向各个方向传递。

（二）用DIS系统研究加在密闭气体的压强的传递规律

1.实验装置

装有软件的电脑1台、数据采集器1个、气压传感器4个、铁架台、固定夹1个、注射器、电烙铁、玻璃胶等。

2.实验过程

（1）在注射器侧壁用电烙铁烫三个小孔，取4个气压传感器，将3个气压传感器的连接软管插入侧壁的三个孔内，另一个气压传感器的连接软管插入注射器下方针管的小孔内，分别用玻璃胶密封好，将实验装置固定在铁架台上，将4个气压传感器分别与数据采集器相连，并接入电脑，如图3所示。

（2）打开电脑，打开“组合图线”窗口，点击“添加”，设置X轴为时间，Y轴为压强P1。

（3）再继续点击“添加”，设置X轴为时间，Y轴分别为压强P2、P3、P4。

（4）调零，用手向下推注射器活塞，点击“开始”，点击“停止”，描绘出各处压强随时间变化的四个图像（如图4所示）。

3.实验结论

加在密闭气体上的压强，能够大小不变地被气体向各个方向传递。

五、传统实验与数字化实验的比较

从器材上看，用传统实验研究帕斯卡定律，要三个注射器和一个三通管组成密闭容器或者用一个带活塞的容器，引出三根盛有同种液体的软管。而用数字化实验研究帕斯卡定律，最多只要两个注射器，一根软管。传统实验中的三个注射器或三根盛水的软管必须呈竖直狀态，这样固定装置难度较大，而数字化实验是用传感器的，只要连接好即可。传统实验研究帕斯卡定律是通过改变加在注射器连杆上的钩码数来改变压力，从而改变加在密闭容器上的压强，这个改变范围小，至多能得到三个输入值，而用数字化实验来研究帕斯卡定律可通过压力传感器来不断地改变压力大小，从而改变加在密闭液体上的压强大小，改变范围大，可以得到无限个输入值，在改变加在密闭气体上的压强时，通过手对连杆及活塞施加压强，改变范围大，可以连续改变，这样输入值也是无限个。用传统实验研究帕斯卡定律在改变压强时，由于活塞或水柱具有惯性，达到静止状态需要一段时间，压强的大小是转换成活塞或水柱的高度值来显示的，而用数字化实验研究帕斯卡定律，不存在惯性的问题，软件即时显示压强的大小。用传统实验研究帕斯卡定律无法得出压强变化的动态过程，更不能显示压强随时间变化的图像。

六、数字化实验相比传统实验具有更多优势

用数字化实验研究帕斯卡定律所用的器材减少了，组装简单了，能即时显示两个或四个压强值;利用数字化实验探究“帕斯卡定律”，具有省时、省力、即时、精确、操作简便的优点，它能实时采集实验数据，可以用数字化表格显示，也可以通过图像直观动态显示，克服了传统实验定性研究的不足。同时两种实验都没有涉及学生测量，而且两种实验在培养学生动手能力上差别不大，在学校条件许可的情况下，将数字化实验融入传统的研究帕斯卡定律实验之中，能有效提升教学效果。

数字化实验具有传统实验不具备的优点，传统实验不易觉察的细节，都会在数字化实验中反映出来。但采用数字化实验，也有传统实验不存在的缺点，如对培养学生的动手能力、测量能力没有传统实验好，同时数字化实验仪器非常精确，装置整体价格高，维护更加困难，对教师素养的要求更高，而且在进行数字化实验之前，教师必须做好更加充分的准备。教师在教学中不能一味追求用数字化实验进行教学，必须根据实际情况进行选择，才能使教学效果最佳。

[   参   考   文   献   ]

[1]  苏建东.液体对压强传递的演示实验介绍[J].实验教学与仪器，1995（5）：7.

[2]  黄春福，杨枝平.一种新型的帕斯卡定律演示器[J].实验教学与仪器，1994（6）：27.

[3]  陆万全.自制帕斯卡定律演示器[J].物理教师，1994（2）：24.

[4]  肖秀珍.帕斯卡定律的演示[J].物理实验，1991（5）：211-212.

[5]  陈琪. 新课改下DIS在物理教学中的应用研究[D].桂林：广西师范大学，2014.

[6]  姚平. 应用数字化实验平台优化高中物理教学的实践研究[J]. 高考（综合版）， 2015（1）：62.

[7]  张溶菁. 《物理新教材DIS实验教学中学生实验能力培养的实践研究——DIS校本课程的开发与实践》结题报告[C].华东六省一市物理学会联合年会， 2010.

（责任编辑 易志毅）