用数字化实验系统测量斜面的机械效率

王成友

（安徽省郎溪县实验初级中学   安徽  郎溪  242100）

摘要：数字化实验作为一种新型课程资源和新的教学方式，以真实的实验为基础，用传感器进行实验数据的测量，实现了信息技术与初中物理课程的有效整合。数字化实验在初中物理教学中的常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入等方面具有良好的效果。本文以“斜面”教学为例，探索用数字化实验测量斜面的机械效率。

关键词：数字化实验；传感器；斜面的机械效率

《义务教育物理课程标准》对简单机械的要求是：“知道简单机械。知道机械效率。了解提高机械效率的途径和意义。测量某种简单机械的机械效率。”斜面是一种重要的简单机械，怎样测量斜面的机械效率？斜面的机械效率大小与斜面的倾斜角度、斜面的粗糙程度和提升的物重有怎样的关系？这些问题是斜面教学中的重要问题。用弹簧测力计这种传统的方法来测量，由于测量误差较大，很难通过实验数据定量发现物理规律，有时甚至会得出错误的结论。采用数字化实验系统，用拉力传感器代替弹簧测力计研究斜面，拉力测量更加准确，由数字化实验软件进行数据的记录和处理，可以较准确地反应客观规律，总结斜面上的物理规律。

1  数字化实验系统的组成

数字化实验系统是以真实的实验为基础，通过感器替代传统的测量仪器，将采集到的实验数据通过接口设备交由数据处理器（如计算机、图像计算器、平板电脑等），经过分析处理，从而能够更加清晰、明确地展示现象，揭示科学规律。数字化实验系统既是对传统物理实验教学的有效补充，又是传统物理实验教学的变革。数字化实验系统是一个主要由传感器、接口设备和数据处理器组成的多功能测量系统，系统运作模式如图1所示。

图1  数字化实验系统运作模式

系统各组件功能说明：传感器用来快速、高精度适时采集科学实验中各种数据；接口设备接受来自传感器的数据并输入算机，能够同步记录模拟和数字信号，具有极高的采样率；数据处理器是整个数字化实验系统的核心，具有数据采集、计算、分析及实验结果展示等功能。数据处理器具有智能工具、曲线拟合、计算器、选定统计、坐标变换、设置值、任务清除、数据/图形、智能仪器显示等功能。例如， “数据/图形”可用来存储、编辑、打印，并可转存为 Excel/ Word 文档进行处理，方便学生完成实验报告；“曲线拟合”可以实现从最基本的线性拟合到自定义拟合。

我校装备的数字化探究实验室由江苏苏威尔科技有限公司提供。所用软件有“SenseDisc iLab V10.0”和“初中物理实验系统”。

2  用拉力传感器测量斜面的机械效率

数字化实验系统在初中物理教学的常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入等方面具有很广阔的应用前景。例如，用数字化实验系统中的拉力传感器代替弹簧测力计即可改进“测量斜面的机械效率”这一实验。

2.1  用弹簧测力计测量滑轮组的机械效率

斜面的机械效率通常用弹簧测力计和刻度尺测量，所用装置如图2所示，需要测出拉力F、拉力移动的距离s、提升物体的重力G和钩码上升的高度h，然后计算斜面的机械效率。进而探究斜面的机械效率的大小与哪些因素有关。本实验测量准确与否的关键是弹簧测力计必须匀速拉动，才能准确测出拉力F的大小，从而较准确地测出斜面的机械效率，才能通过数据分析出影响斜面机械效率大小的因素。

图2  测量滑轮组的机械效率的装置

但是，用弹簧测力计测量拉力F会出现以下问题：弹簧测力计很难匀速拉动，其示数不稳定，会不断变动，且弹簧测力计在运动中读数，很难准确读出拉力F的大小，影响了机械效率测量的准确性，很难分析斜面的机械效率与哪些因素有关。利用拉力传感器和数字化实验系统来测量，即可解决以上问题。

2.2  用数字化实验系统测量斜面的机械效率

2.2.1  实验装置及器材

计算机、智能数字实验盘、拉力传感器、数据线、斜面（自带角度器）、带毛毡和软木塞面的木板、木块和钩码等。实验装置如图3所示。木块重为1.1N，每个钩码重为0.49N。拉力传感器可以准确测量拉力大小，测出来的拉力通过智能数字实验盘传输给计算机，由计算机中的软件进行数据的记录和处理。

图3  用拉力传感器测量斜面机械效率的装置

2.2.2   实验操作

（1）搭建实验

将斜面的倾斜角度调整为10°，用数据线将智能数字实验盘与计算机相连，再将拉力传感器插入智能数字实验盘，拉在木板前端。

（2）软件设置

由于“数字化实验系统”软件中并没有直接测量斜面机械效率的版块，需要利用“公式编辑器”编辑斜面机械效率的计算公式。公式编辑时，先添加拉力移动的距离S，编辑总功的计算公式W₁=F₁S，再添加木块的重力G和木块上升的高度h，编辑有用功的计算公式W₂=Gh，最后编辑机械效率的计算公式η=W₂/W₁。将实验时间设定为5秒，采集数据的时间间隔设定为200毫秒，系统会自动记录26次实验数据。实验中，使木块在斜面上移动的距离s=0.4m，当斜面的倾斜角度为10°时，木块上升的高度h=ssin10°=0.4m×0.1736=0.069m，当倾斜角度为20°时，木块上升的高度h=ssin20°=0.4m×0.3420=0.1368m，当倾斜角度为30°时，木块上升的高度h=ssin30°=0.4m×0.5=0.2m。

（3）进行测量

第1次，在木块上放上2个钩码，用拉力传感器拉动木块做匀速直线运动，使木块在斜面上移动0.4m，测出拉力大小，软件自动记录实验数据。数据采集完成后，输入距离s（0.4m），木块重力G（2.08N），上升高度h（0.069m），软件自动计算出总功、有用功和机械效率，如图4所示为第1次的测量数据。再将实验数据导出为Excel文件，在Excel文件中求取平均值，测得斜面的机械效率为53.25%，如表1 所示。第2次，在木块上放上4个钩码，重复以上操作，数据采集完成后，输入距离s（0.4m），木块重力G（3.06N），上升高度h（0.069m），测得本次斜面的机械效率为53.89%，测量结果如表2所示。第3次，使斜面的粗糙程度增大，保持木块重力不变，将木块放在毛毡面的木板上，重复以上操作，测得本次斜面的机械效率为32.39%，测量结果如表3所示。第4次，继续增大斜面的粗糙程度，保持木块的重力不变，将木块放在软木塞面的木板上，重复以上操作，测得本次斜面的机械效率为31.74%，测量结果如表4所示。第5次，将斜面的倾斜角度调节为20°，保持木块的重力不变，恢复斜面的粗糙程度，将木块放在斜面上，重复以上操作，测得本次斜面的机械效率为70.10%，测量结果如表5所示。第6次，将斜面的倾斜角度调节为30°，其他条件和第5次相同，重复以上操作，测得本次斜面的机械效率为78.58%，测量结果如表6所示。

图4  软件自动处理的第1次测量数据

表1  Excel处理的第1次测量数据

表2  Excel处理的第2次测量数据

表3 Excel处理的第3次测量数据

表4  Excel处理的第4次测量数据

表5  Excel处理的第5次测量数据

表6  Excel处理的第6次测量数据

2.2.3  实验分析

6次实验数据汇总如表7所示。

表7  斜面机械效率的测量结果

最终的测量结果汇总如表8所示。

表8  斜面机械效率的测量结果汇总

实验完成后，我们来分析实验数据。由第1次和第2次实验数据可知，木块重力分别为2.08N和3.06N，但斜面的机械效率变化不大，都约为53%，可知斜面的机械效率与物重无关。由第2次、第3次和第4次实验数据可知，斜面的机械效率与斜面的粗糙程度有关，斜面的倾斜角度相同时，斜面越粗糙，斜面的机械效率越低。由第2次、第5次和第6次实验数据可知，斜面的机械效率与倾斜角度有关，斜面的粗糙程度相同时，斜面的倾斜角度越大，斜面的机械效率越高。

2.2.4  与传统实验相比的优点

拉力由拉力传感器测量，精确到百分位，测量准确；连续测出26组数据，可判断拉力是否匀速拉动，实验发现，拉力在误差范围内，有0.03N的波动，基本稳定；数据由计算机自动计算和处理，节约了课堂时间，提高了测量的精确度；通过数据发现了影响斜面机械效率的因素，培养了学生的探究能力和分析数据的能力。

3  结束语

数字化实验系统应用于初中物理教学，必将深受学生和教师的欢迎，其较强的教育功能, 有利于初中物理新课程的推进，有利于传统教育技术与“互联网+”时代新的教育技术结合。基于数字化实验系统的初中物理教学必将在常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入三个应用层次上大有可为。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[M].北京:人民教育出版社，2011.

[2]任伟德.中学使用数字信息系统实验仪器的探讨和思考[J]，教学仪器与实验，2007年第1期.

[3]王成友.用数字化实验系统测量滑轮组的机械效率[J]，理科考试研究，2018年第第14期.