基于数字化技术的物理实验创新设计

王从戎，梁永艺

(合肥师范学院 物理与材料工程学院，安徽 合肥 230601)

数字化技术是指由传感器、数据采集器、实验操作软件、计算机组成的数字化信息系统，它利用传感器可将非电学信号转换成电学信号，从而实现对数据的采集与传输。在传统实验中，由于实验器材的限制，很多实验不易定量研究，只能进行定性的观察与分析，这直接影响实验结论的科学性，也影响了课堂教学的质量。同时，研究发现已有的教材或教师教学中采用的数字化实验，有些也并不符合学生的认知发展规律，仍然存在诸如探究意识不强、实验操作不稳定等问题。因此，应对这些实验进行改进与创新，使数字化实验与传统实验相结合，探索基于数字化技术的实验，创新实验设计，优化实验教学，进而提高实验结论的科学性，进一步培养学生的探究意识。研究通过“法拉第电磁感应”“探究安培力大小”两个案例，系统地阐述实验发展的背景、创新设计的思路与方案、实验数据的处理与结论，以此说明基于数字化技术在创新物理实验方面的可行性、实效性，强化新课标下数字化实验在中学物理实验教学的应用价值。

1 “法拉第电磁感应”实验

1.1 实验发展背景

旧版(2006版)高中物理教科书并没有“法拉第电磁感应”相关的实验。根据《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》(下称《课标》)的要求：“通过实验，理解法拉第电磁感应定律[1]28”，2019年版人教版高中物理教科书增加了相关实验[2]29-32，这个实验可以帮助学生从理论上探讨感生电动势和线圈匝数、磁通量变化率之间的关系，但是这个实验仍然有一些不足之处：(1)实验是定性观察，不是定量研究；(2)电压值变化过快，难以对数据进行记录与存储；(3)当强磁铁通过线圈时，会产生逆向的电压，从而导致电压表的损坏[3]。

为了保证学生能进行量化研究，培养学生的探究意识，强化实验探究的过程。研究利用数字化技术对“法拉第电磁感应”实验进行一些改进并进行实验探究。

1.2 实验创新设计

由于磁铁下落碰撞会造成实验器材侧壁及底部的损坏，故研究对实验仪器进行了改进(图1)。改进后的仪器采用“可调速电动机”将磁铁调整为向上匀速运动，这样不仅可以保护线圈，还可以极大地降低实验中的误差。在玻璃板中轴线上从上至下分别固定匝数为1200匝、900匝、400匝的三个线圈，保持三个线圈的中心在一条竖直线上，并且用圆柱形磁铁代替了原有的条形磁铁，从而保证磁铁能够均匀地从各个线圈的中央穿过。右侧接线柱与中间的每个线圈相连，用于连接电压传感器，便于瞬时记录每个线圈产生的感应电动势大小。由于法拉第电磁感应定律“E=nΔΦ/Δt”实验，要探究E与n(匝数)、E与ΔΦ/Δt的关系，涉及两个变量。因此，设计的实验采用控制变量法：保持n不变，研究E与ΔΦ/Δt的关系；保持ΔΦ/Δt不变，研究E与n的关系。

图1 改进后的数字化实验装置

1.3 实验过程

1.3.1 实验器材

实验采用不同匝数的螺线管、电压传感器、光电门传感器、数据采集器、计算机、铁架台、电动机、强磁铁。

1.3.2 探究E和n的关系

实验使圆柱形磁铁在电动机的牵引下以不同速率匀速上升，以探究E与n之间的关系。实验时，将各线圈与电压传感器相连，使磁体由下向上稳定均匀地上升，并将所获得的数据(即感应电动势峰值)与匝数一一对应，以求两者间的联系，见表1。

表1 E-n实验数据

将得到的数据导入数据分析软件中进行线性拟合，可以得到图2。从图2中可以看到，当磁通量变化率一定时，感生电动势E与n成正比。

图2 二档(上)、三档(下)E-n关系图

1.3.3 探究E与ΔΦ/Δt的关系

实验选取最上部的线圈(1200匝)作为研究对象，通过调速器改变圆柱形磁铁上升的速度，从而改变磁通量的变化率。在线圈末端截取一小段距离ΔL，使圆柱形磁铁必定会经过ΔL，从而保证磁通量的变化量(ΔΦ)不变；只需要改变每次经过ΔL的时间，就可以改变磁通量的变化率。由于圆柱形强磁铁匀速上升，所以经过ΔL的时间Δt与圆柱形磁铁经过光电门的时间Δt1关系为：ΔL/Δt=L/Δt1(L为强磁铁的长度)，得出Δt=(ΔL×Δt1)/L，所以只需证明E∝1/Δt1，就可以推出E∝1/Δt。实验数据见表2。

表2 感生电动势与时间和时间倒数的实验数据

图3 E-1/Δt1关系图像

将得到的数据导入数据分析软件中进行线性拟合，可以得出图3。由图3可知，E与磁铁通过光电门传感器的时间Δt1的倒数成正比。由此可以推出E∝1/Δt。

1.3.4 实验结论

通过实验验证了当磁通量的变化率ΔΦ/Δt相同时，电动势E与线圈匝数n成正比，即E∝n；当线圈匝数n相同时，E与ΔΦ/Δt成正比，即E∝ΔΦ/Δt。

2 “探究安培力大小”实验

2.1 实验发展背景

旧版(2006版)人教版教材没有提及关于安培力的实验。新版的人教版教科书按照《课标》“通过实验，认识安培力”“利用电流天平等简易装置测量安培力”[1]28的要求，在旧版的基础上增加了相关实验[2]2-5。但书中所涉及的实验只能判断安培力的方向，无法探究其大小与哪些因素有关。因为通电导线在磁场中产生的安培力很小，常规的实验设备很难精确测量，因此难以设计合适的实验。这也导致教师难以通过传统的方法来研究安培力。

虽然原有的数字化安培力实验装置可以定量探究安培力与电流、导线长度的关系，但仍然存在以下两点不足：(1)该实验装置并不能探究安培力大小与磁场方向和电流方向的夹角θ之间的关系；(2)只能间接证明安培力与导线长度L成正比，且只有两组数据做支撑，实验缺乏科学性。为了使学生能进行更加严谨、完整的研究，培养学生的探究意识，强化实验科学探究过程，研究利用数字化技术对“探究安培力大小”的实验进行一些改进并进行实验探究。

2.2 实验创新设计

改进后的数字化安培力实验装置如图4所示，将两块强磁铁固定在圆盘上，底部安装“可调速电动机”，接通电源之后可以使圆盘上的两块强磁铁做匀速圆周运动，从而改变磁场方向和电流方向的夹角θ。力传感器与线圈固定不动，线圈底部在磁场中。线圈上有几个接口，可以改变线圈匝数，以实现改变导线长度的目的。

图4 改进后的数字化安培力实验装置

2.3 实验过程

2.3.1 实验器材

改进后的实验使用力传感器、数据采集器、线圈、滑动变阻器、转盘、电动机、两台学生电源、强磁铁和计算机。

2.3.2 探究F与I的关系

保证线圈匝数不变(即导线长度不变)，电流方向与磁场方向夹角相等，通过改变电压来改变通电导线中电流的大小，因为I=U/R，R是定值，所以只要能探究出安培力与电压的关系，就可以探究出安培力与电流的关系。实验数据如表3、图5所示。

表3 F-U实验数据

图5 F-U关系图

由图5可知，F-U图像是一条过原点的直线，F-U成正比关系，即F=K1U(K1为常数)。因为整个电路中电阻不变，根据欧姆定律，I=U/R，所以F=K1RI，即F=K2I(K2=K1R为常数)，由此可以推断出当导线长度、磁场方向与电流方向夹角不变时，F与I成正比。

2.3.3 探究F与L的关系

保证导线中电流不变，电流方向与磁场方向夹角相等。由于线圈电阻很小，改变匝数所带来的电阻变化可以忽略不计，因而可以保证电流不变。由L=nK4(n：线圈匝数，K4：线圈下端边长)可知，改变线圈匝数n，即可改变导线长度L。通过实验，如果可以验证安培力与匝数的关系，那么就可以推导出F与L的关系。实验数据如表4、图6所示。

表4 F-n实验数据

图6 F-n关系图

由图6可知，F-n图像是一条近似于过原点的直线。则表明F与n成正比关系，即F=K3n(K3为常数)，已知L=nK4，所以F=K5L(K5=K3/K4)。由此可以推断出，当I、θ不变时，F与L成正比。

2.3.4 探究F与θ的关系

保证电流、导线长度不变，打开电动机开关，让圆盘匀速转动，从而改变磁场方向和电流方向之间的夹角θ，利用力传感器和数字化软件快速记录安培力大小；将数据导入数据分析软件中进行拟合，其结果如图7所示。实验表明，在误差允许的范围内，所成的图像近似为三角函数图像，函数关系式为F=Asinωt，t=θ/ω，所以F=Asinθ(A为常数)。由此可以推断F与θ之间成三角函数关系。

图7 F-t关系图

2.3.5 实验结论

通过实验验证，安培力的大小与磁感应强度、电流大小、导线长度成正比，与磁场方向和电流方向的夹角存在三角函数关系，即F=BILsinθ。

3 总结

数字化技术是辅助物理实验教学的一种手段。在传统实验不能达到预期的实验目标时，教师可以使用数字化技术对传统实验进行改进。但数字化实验也会带来一定的负面影响，诸如注重实验结果，忽视探究过程。所以教师在运用数字化技术进行传统物理实验改进和实验教学时，应当充分考虑到这一点。

研究以两个典型数字化实验案例为例，对实验装置进行改进，并使用改进后的实验装置验证了相关物理定律。以期通过优化教学实验，进一步培养学生的探究意识，拓展物理实验方法，提高实验教学的探究性，以满足《课标》对学生物理学科核心素养的要求及学生认知的发展规律。