传统实验与数字化实验对比分析

王成武 李丰利

摘要：测量小车在斜面上运动的速度，是初中物理的探究实验。传统实验的设备制作、实验操作、数据采集都给学生带来很大的不便。而数字化实验则可以很好地避免这些问题，凸显这种实验方式的优点。传统实验和数字化实验相互融合，各取所长，应该是物理实验教学的一个方向。

关键词：传统实验  数字化实验  斜面  小车运动  平均速度

一、传统实验

测量小车在斜面上滑动的平均速度实验是近年来中考的热点，在多地中考出现过。该实验的原理是v=s/t。测出物体运动的路程s，测出通过这段路程所用时间t，就可以计算这段路程的平均速度。该实验所需器材有刻度尺、机械停表、斜面、小车、金属片等。

实验步骤：

（1）把小车放在斜面顶端，金属片放在斜面底端;

（2）用刻度尺测出小车到金属片的距离s1，并记录在表格中;

（3）用停表测出小车从斜面顶端滑下到撞击金属片的时间t1，并记录在表格中;

（4）将金属片移至斜面的中点处，用刻度尺测出小车到金属片的距离s2，用停表测出小车从斜面顶端滑下到撞击金属片的时间t2，并记录在表格中。

其中，斜面的作用是使小车获得下滑的动力，金属片的作用是确保小车运动的终点始终在同一位置，更为准确地测量路程和时间。

实验注意事项：

（1）在测量时间时，要做到在小车开始运动的同时开始计时，小车撞击金属片的同时停止计时。

（2）斜面要长一些而且要保持较小的坡度，使小车在下滑时速度较慢、时间较长，以便更准确地测量运动的时间，减小误差。

分析数据，得出结论。

计算不同阶段的平均速度V，比较不同阶段的平均速度大小。

实验反思：

以上为传统实验的方案。笔者曾试图动手做这个实验，发现“问题”很多。如：①难以选择合适的长的斜面。笔者实验时斜面的坡度大概为10°，斜面长1 m，小车运动时间非常短，只有2.4 s。这样短的时间，让时间的计量误差也比较大。②教具制作不易。实验室没有配测量小车运动平均速度的教具，所以老师要演示这个实验，必须自己制作。这个很不容易，而且让物体滑下时，尽量要求做直线运动。由此可知，如果用传统的方法把这个实验完整地做出来，是非常耗费精力的，且误差比较大。

二、数字化实验

下面，笔者就利用威尼尔数字化实验器材，把这个实验简便、准确地呈现出来。数字化实验简称DIS（Digital Information System），是实验者借助于各类传感器、采集器、计算机及相关数据处理软件等自动实时地采集数据，并以多种形式呈现的现代化实验技术手段。

实验目的：

研究小车在斜面上运动速度的变化和斜面的倾斜程度（通过垫木板的方法改变倾斜程度对小车运动速度的影响）。

实验原理：

根据平均速度公式v=s/t，结合小车的运动时间与距离，计算前半程、后半程和全程的平均速度。

实验准备：

（1）组装。

（1）把轨道放置在水平桌面上，一端调高。

（2）把运动传感器放在调高的一端，固定好;在终点安装挡板，避免小车最终脱离轨道。

（3）将数据采集器接口与计算机相连，接通电源。

（4）将运动传感器接入数据采集器的接口。

（5）打开数据采集器，设置采样频率为20 Hz，采样时间为5 s。

实验步骤：

（1）把小车放到导轨的高端119厘米刻度线处。

（2）打开威尼尔专用的数据处理软件Logger Pro，点击“开始”，记录数据。

（3）释放小车使其沿着导轨滑下，利用运动传感器记录它的位置和时刻，并呈现在计算机上。

（4）将数据输出为csv格式。

（5）在轨道高端处的下面垫一块木板，重复步骤（1）（2）（3）（4）。

（6）在轨道高端处的下面再垫一块同样的木板，重复步骤（1）（2）（3）（4）。

（7）关闭Logger Pro，拔掉数据线，整理好实验器材。

实验分析：

表格中的数据是原始数据，为了减少误差，选取的是小车运动过程中的数据。本文选取0.3 m为起始位置，0.9 m为终点位置，分别计算三组实验中的v前半程，v后半程，v全程的大小。

实验结论：

（1）v前半程<v全程<v后半程。

（2）同一斜面的同一段距离，斜面倾角越大，平均速度越大。

误差分析：

（1）传感器自身的计量误差;

（2）截取数据的误差;

（3）平均速度计算的误差。

三、对比

通过对小车运动平均速度的测量，相对于传统实验，我们可知数字化实验有以下特点：

（1）利用专门的器具，非常方便地完成实验。教师无须花多少时间和精力准备整个实验，可以精心准备教学流程和设计实验。教师的职业特点决定教师的工作重心应该是教书育人而不是制作精巧的教具。教师整个数字化实验中所花费的时间和精力成本非常小，而教学效益却非常大。

（2）测量精度比较高，误差小，定量地获得具有更可靠的实验结论。诚然，如果器具齐全，利用传统的刻度尺、秒表也可以完成任务，但是测量的精度特别是这种动态测量的精度，与数字化实验无法相比。因此，物理实验中数字化设备的使用，可以定量地研究问题，获得结论也更加可靠。

（3）利用专业的数据处理软件，可以准确、直观、便利地得出结论。传统实验的数据，一般用纸笔运算，运算量大，容易出错;而数字化实验，有与设备配套的数据处理软件，可以快速地对大量的数据进行运算和分析，并且可以图像的形式直观地呈现，还可以方便地导出。因此，数字化系统的使用，给师生的数据处理带来了极大方便，同时更准确、直观。

（4）易于进行实验深入和拓展，研究新的内容。相对于传统实验，数字化实验可以更容易地进行实验的深入和拓展。如本实验中探究了在斜面倾角不同的情况下，小车在斜面上的运动情况。笔者用數字化设备和数据处理软件进行这个实验，前后只用了5分钟的时间，非常容易。当然，还可以利用数字化实验器材进行拓展，如可以把轨道放在水平的桌面上，在其上放置两只小车，把运动传感器固定在其中的一只小车上;然后让两只小车一个运动一个静止或都运动起来（可以同向、反向），通过传感器可以实时记录两只小车的相对运动速度。这比传统的实验手段定性地得出结论更加简易。

责任编辑：黄大灿