“摩擦与热”DIS实验的设计.doc

物理论文“摩擦与热”DIS实验的设计上海市延安中学 周双雯指导教师 吴 强 摘要上海市中学物理学科二期课改中，物理实验采用了新的方法-DIS实验方法，使得物理实验不再只是徒手记录数据，而是采用信息化的数据采集器，这样取得的数据较为精确，形象逼真，便于进行深入的学习研究。但是，我发现，现有配备的DIS实验器成功率不高；精确度也不够，有时甚至事与愿违；容易造成对科学怀疑，不利于学习。我想自己来设计，运用身边现有的LEGO玩具来做，可以真正达到掌握和理解的目的。本文以中学物理高一实验“摩擦与热”为例进行研究；选择的理由是该实验原理相对简单，DIS实验容易成功，并且其图象在脑子里有容易形成概念，易于发现问题。实验中，我比照相同的实验材料，相同的扫描速度等条件，分别进行实验；历时一周，共获取近10000个数据进行分析；并聘请上海冶金所专家进行材料的选择和实验方法的改进；最后，使用LEGO玩具来做DIS实验，在方式方法上利于学生动脑，开展想象，自行设计，使实验真正成为学生的实验，使每位同学都能参与其中，进行拓展研究，并锻炼各种能力，使课堂活跃。同时，设备简洁，精度更高；在操作的上简单、易于控制；在信息技术整合上更完善；界面更亲近，设备更具人性化；由于有实验目的，实验中还学会了ROBOLAB图形化编程，拓展了学科知识，符合二期课改的要求。我们用这种方法做了另外几个实验，结论也一样；特别是动能及动能定理等有的实验，现有的DIS实验器材不容易做出来，而用LEGO玩具却可以完成。本文还对DIS实验器的改进提出了可行的方案和实践。创新点：1.用LEGO玩具来做物理实验，并且做DIS实验，创造了一种新的“玩”的方法和实验方法； 2运用ROBOLAB图形化编程技术进行实验控制，实现了数据与图形的采集和绘制，使实验具有可控性和事后分析提供了依据。 关键词 LEGO玩具 ROBOLAB图形化编程 DIS实验 物理学一、实验背景：新教材高一第二学期课本安排了“摩擦与热”的DIS实验，其内容如下：18世纪末19世纪初，科学家通过摩擦生热的实验，把物体内能的变化与机械运动联系起来。用DIS实验器研究“摩擦与热”的关系。LEGO玩具简介LEGO组件包括：结构与建筑系列，动力机械系列，气动力学系列，eLAB能源系列，控制实验室系列，ROBOLAB机器人系列。(详细介绍请参阅网站。)这里只对ROBOLAB机器人系列作简介。ROBOLAB机器人系列主要包括RCX-微电脑、IR-红外发射仪、I/O设备以及各种乐高积木。RCX是机器人接收和发送信号的核心，相当于机器人的大脑，用于控制所搭建机器人的行动。一个RCX包括：3路输入端口，3路输出端口，4个控制按钮，一个LCD显示屏，红外传输口。可用6节直流电池或一个变压器对RCX供电。3路输入端口是RCX与乐高传感器（如触动、光电、温度及旋转传感器等）的连接，3路输出端口则是用于连接乐高输出器件（如马达和灯）。4个控制按钮分别用于控制RCX的开/关、程序选择、观测RCX工作情况及执行选定的程序。RCX与计算机的通信是通过IR发射器进行的，该发射器插在计算机的串口上，通过它，将程序传给RCX。如图示。 图一 RCX微电脑 图二 温度传感器I/O设备是指输出输入设备，包括马达、LEGO电容、光敏传感器、触动传感器、温度传感器（如图二）、气压传感器等等。它们的工作情况由RCX发出指令来控制。乐高积木的模具精度公差小于0.005毫米，搭建和拆卸都很方便，发挥想象可以搭建出各种想要的模型。有了这些硬件，还需编程软件。ROBOLAB SOFTWARE (ROBOLAB软件)，软件编辑环境简单、直观、易学。采用图形化编程语言，只需要从功能面板选取需要的图标，拖拽到编程窗口，通过联线，即可完成编程。编程环境分为三个级别一一导航者级别（Investigator Level）、发明家级别（Inventor Level）、研究者级别（Investigator Level）。对于中学物理实验，只要掌握导航者级别就足够了。二LEGO实验设计简介 所需器材： RCX 一台 电动马达 一台 温度传感器 一个 电脑 数据线、轴套、转轴等若干配件 泡沫塑料块 二块 图四 图五 DIS实验器 数据采集自动制图 三、LEGO实验步骤设计1、器材安装：鉴于在DIS实验中，我们所发现的问题，我们决定用LEGO组件来做这个实验。实验器材为RCX一台、LEGO电动马达一台、温度传感器及LEGO组件若干。实验器材的安装，没有一个确定的形式，但是总以使实验数据误差最小为目的。将马达的转轴与水平载物台相连，并把泡沫塑料块置于载物台上，用双面胶粘合。沿着马达的转轴方向在泡沫塑料块上钻个小孔，孔径略小于温度传感器探头的直径，以便于泡沫塑料块与温度传感器探头发生摩擦。用积木搭个架子，将马达固定于底座，用横梁固定载物台及温度传感器，其探头金属部分伸入孔内，并使马达转轴与温度传感器处于同一垂直线上。如图四示2、实验方法与内容：（1） 开启RCX，命令马达以一定功率转动，并观察温度传感器的示数变化情况。（2） 定量：命令马达每工作20秒停2秒，并利用2秒时间记录下温度传感器的示数T(由于RCX的内置容量不够故需人工记录)，大约记录4分钟，并将数据绘成表格，用毫米方格纸画出图像。3、实验程序设计 图六 LEGO实验组件实验程序4、实验数据采集 在组装完LEGO组件后，我选取相近的数据采集频率，做了如下实验：实验次数起始温度()最高温度()时间(s)数据采集间隔时间(s)曲线情况备注121.434.61803正常成功217.419.7300.1正常成功318.021.1300.1正常成功417.620.0600.1正常成功516.020.815010正常成功620.841.11500.15正常成功720.845.31500.15正常成功817.436.41500.15正常成功 5、自动图像绘制LEGO实验组件自动数据采集绘图：实验1实验2实验3实验4实验6实验5实验8实验7 图七 LEGO实验组件自动数据采集绘图6、实验结论： 用LEGO玩具进行的“摩擦与热”实验结果符合实际情况；并比同类教学教学使用的DIS设备更准确。四 分析与研究 1、实验器材安装的准确性是实验的关键。LEGO组件可塑性很强，我们可以自行设计实验器材的组装及安装。把零散的LEGO组件搭在一起，是件非常容易的事，但是，想要搭得更牢固、更结实，还是需要实验人员的思考。为了使实验所得数据更加准确，我们考虑让马达转动时，减少不必要的抖动，所以我们不仅固定了温度传感器，也固定了马达。我们固定了马达的2个面，另有5个面都被其他LEGO组件所环绕，这样使马达在最小限度内晃动。同时我们也发现，当马达的转轴离底座很近时，塑料容易与底座发生摩擦，引起能量损失，使得数据不准确。因此，我们垫高了马达和温度传感器，进一步提高实验准确性。而该实验相对于DIS最大的进步，就在于，它采用的是马达做驱动力，而非人力。机械马达不受人为因素的影响，因此转速固定，不会使单位时间内摩擦所做的功有较大偏差，因此，该实验的准确性较DIS大大提升。同时，由于采用的RCX，所以，在实验的同时，我们可以马上从RCX的显示屏上直接读出某时间的温度，十分方便。 2、由于LEGO组件的组装并不是件困难的事，所以该实验1人就可以完成。与DIS实验不同，DIS实验只能适用于老师一个人做演示给学生看。但是LEGO的实验，却可由学生自己操作。其中，如何安装组件可以使同学们动脑，开展想象，自行设计出一种既牢固、又节省原料的安装方法，使学生们不仅了解到摩擦力与温度的关系，还能培养学生的动脑动手能力；数据的记录及曲线的绘制，也可以锻炼学生的动手能力，使学生们直观地了解到机械能与内能之间的转换。这样使实验不再仅仅是老师在上面演示，使实验真正成为学生的实验，使每位同学都能参与其中，并锻炼了各种能力，使课堂活跃。 3、在数据采集方面，二者都可以将数据转换这曲线图，及图表。但是，倘若想要保存数据，做进一步研究时，LEGO显然较DIS略逊一筹。DIS可以直接将数字数据作为文件保存在电脑中，而LEGO则缺乏该项功能，使数字数据的保存成为一件比较烦琐的事。但是，LEGO有多种数据显示的格式，使数据显示更富人性化。 4、 同时，在DIS与LEGO对比实验中，我们发现这其中一个无法避免的缺点。就是泡沫塑料的损耗。塑料在进行多次实验后，摩擦部分会因为摩擦引起的热量而融化，使塑料磨损，导致塑料口径边大，使摩擦力减小，温度变化不明显。但是鉴于无法找到替代材料，所以我们仍然采用塑料做实验材料。5、图形平滑。比照绘图，LEGO实验组件符合实际情况。6、 做功可控操作电机不同转速下磨擦力的功：实验记录：泡沫塑料块1次数I012345678910111213时间t(x10s)02468101214161820222426低转速马达温度T(摄氏度)21.523.024.425.526.627.528.228.829.229.529.729.930.030.0高转速马达21.724.927.829.931.432.232.933.333.733.934.134.034.134.1泡沫塑料块2次数I0123456789101112时间t(x10s)024681012141618202224低转速马达温度T(摄氏度)21.624.627.630.332.434.335.336.337.137.6高转速马达22.429.836.240.442.845.647.749.450.251.0五、LEGO玩具DIS实验的优势：1 LEGO实验组件关注过程、精度和结果；磨擦与热的实验中，乐高的温度传感器灵敏为0.1摄氏度，灵敏度较高，提高了数据的精度；乐高采用电动马达带动泡沫块转动，保证了摩擦力不变；得到的曲线图像精确。乐高系列采用真实可见的实物，可由同学自己组装、设计实验，自己记录、处理数据，画出图像，乐高只是提供一些采集数据的设备，用它来完成实验，感觉真实易接受。2 LEGO实验组件简洁便利，开发性强；有利于自己开展实验。乐高系列的产品体积小，除编程外不需借助于计算机系统，有利于自己开展实验。3 LEGO实验组件具有挑战性。乐高系列产品众多，搭配方法多变。在教师的启发下，综合运用所学知识，自己设计自己做，通过观察、探索、模型搭建、程序编写，分析解决一定的问题，培养学生动手、动脑能力，体验挑战，让每一个同学都能从中获得成功的快乐，培养自信心与创造力；在实践中掌握深奥的科学知识，是学习不再枯燥。对DIS实验器材的思考2 扫描速度对DIS实验图象的影响：扫描速度比较慢的时候线形明显要好，扫描速度比较快的时候曲线不够光滑，呈矩形上升。其原因是温度传感器的灵敏度太低，如设为0.5摄氏度，将导致曲线呈跳跃形上升。若能将传感器的灵敏度提高到0.1摄氏度，曲线将大幅改善。3 扫描图反映的是温度与时间的关系，若要间接反映出摩擦与热的关系，就必须保持摩擦力的功率不变，LEGO玩具用马达带动比较好地解决这一问题。4 摩