数字化物理实验演示

y = -0.60x + 3.00
内阻 电动势
使用通用软件
内阻:1.47Ω 电动势:2.79V
8、动 量 定 理
光电门
小车插入2厘米挡光片。 调整力传感器的高度，使其挂钩 力传感器 与小车的弹簧圈位于同一高度。 光电门的位置：小车挡光结束后， 立即与挂钩相碰。
实验界面
修改默认值
实验过程
点击“开始记录” 推动小车运动。 挡光片通过光电 门时，测得
点击进入组合 图线窗口
点击选择图线2
通过拟合图线方程读出 斜率，即加速度a
点击拟合，选择 点击其他处理，选择求导 点击拟合按键，选择拟合方程 线性拟合
点击选择区域按键，选择有效区域
2、牛顿第二定律
利用计算机绘制 a-F 图和 a-M 图线
通过从V-t图求加速度实验平衡摩擦力
黄色区域： 手工输入F、M
面积的物理含义： 对图线内的区域进 行积分，得到面积。 冲量 I
9/10、法拉第电磁感应
法拉第电磁感应定律实验器Ⅰ
智能电源+法拉第电磁感应定律实验器Ⅱ
动生感应电动势
感生感应电动势
E BLV
E
t
研制的装置
• 由不同高度下落，利 用光电门测得速度v • 电压传感器测得对应 的电动势 E • 图线显示 E和 v 的正 比关系。
保持外力不变，多次改变小车质量， 得到第2组数据
外力不变
改变质量，得到第三组数据
第3组数据
改变质量，得到第四组数据
第4组数据
改变质量，得到第五组数据
第5组数据
点击“a－M 图像”
拟合图线
这是一条曲线，为了直观地分 析，可以取倒数，“化曲为直”。 点击“a－1/M 图像”按钮， 得到a－1/M 图线。
发射器
接收器
• 传感器的作用：测量小车运动的距离。 • 实验完毕，注意关闭电源。
注
意：
1、手不要进入发射器与接收器之间， 以免影响信号传输。
2、各组实验可能会有干扰。
3、避免气流扰动（空调、电风扇、 气垫导轨等）。
接入传感器后，自动弹出该传感器对应的窗口。 传感器窗口标题栏显示出了该传感器所属的数据 通道序号、类别、物理量量程及单位
1、测定位移、速度和加速度
车轮置于 导槽内
铜螺母置于 导向槽内
力学轨道系统可应用于运动物体的平均速度测量等实验
研究变速直线运动的 s－t 图
采集器连接 计算机
发射器
导轨
位移传感器 小车 位移传感器的发射器固定在小车上， 接收器固定在轨道一端。
接收器连接 采集器
位移传感器
电源开关
连接采集器
实验显示： 感应电动势与匝数成正比
取同一速度
300匝
200匝
电动势之比
1： 2： 3
E=B l
v
100匝
另一种实验方法： 改变磁感应强度，产生感应电动势。
由于磁通量φ的大小无法直接测量， 但可以利用磁传感器测量磁感应强度B。 将测量φ的变化快慢，转变为测量B的 变化快慢。这样既不影响对物理本质的 理解，同时又具有可操作性。
t2
磁感不变
t3 t4
磁感强度均匀减小
B－t 图
E－t 图
改变磁感强度的变化率 K， 感应电动势 E 将会如何？
电动势为 0
正向感应电动势 大小恒定 前后两段时间的 B 变化大小相同， △t 越小，产生的 E 越大。 图线充分说明：感应电动势的大小 反向感应电动势 与磁感应强度的变化快慢有关。 大小恒定
挡光片
线圈 磁铁
电压传感器： 测量电动势
光电门： 测量线圈下落 的速度
实验过程：
电动势E
1、研究：
E=B l
测量下落速度 光电门 v 挡光片
v
200匝
电压传感器 测量感应电动势
速度v
测量速度的同时， 导体切割磁场， 产生感应电动势E
S
磁力线 磁铁
改变线圈的下落高度
匝数一定时，多 次改变线圈的下落 速度，研究电动势 与速度的关系；
直流电压调节旋钮
交直流转换档 电源开关 电压输出接口
交流电压调节旋钮
可调节输出 电压信号的 下降斜率 可调节输出 电压信号的 上升斜率 点击“模式”按键， 可选择输出梯形 波、三角波、斜 率连续变化的锯 齿波及手动改变 电压等模式。
点击“运行” 输出之前 选择的波形
实时测量感应电动势
t1
磁感强度均匀增加
DIS 实验 演示与操作
赵 恺
上海市中小学数字化实验系统研发中心 山东省远大网络多媒体股份有限公司
实验列表
1、运动物体的位移、速度、加速度 2、牛顿第二定律 3、平抛运动 4、小灯泡的伏安特性曲线 5、通电螺线管的磁场分布 6、电容充放电 7、电源电动势和内阻 8、动量定理（变力） 9、法拉第电磁感应定律（切割） 10、法拉第电磁感应定律（感应） 11、安培力 12、向心力研究
白色区域： 计算机自动记 录加速度值
1、研究加速度与外力的关系
• 释放小车 • 得到 v－t 图 手工输入外力F
（包括所有部件） 手工输入质量M
质量M
得到第一组数据
选择区域 得到第1组数据
计算机自动输入
改变外力，得到第二组数据
保持小车质量不变，多次改变外力 得到第2组数据
改变外力，得到第三组数据
实验过程：
电动势E
速度v
S
磁铁
实验显示： 感应电动势与速度成正比 2、研究：
200匝
E= B l
v
改变线圈的匝数
改变线圈匝数，重复实验， 完成另两组测量。 比较三组数据，研究电动 势与线圈匝数的关系。
改变匝数
改变线圈的匝数 300匝 重复实验 200匝
实 验
100匝
感应电动势与导体长度的关系
φ 研究： E = Δt
Δ
ΔB 研究： E∝ Δ t
磁感应强度变化与感应电动势
磁感强度不变
磁感强度均匀增加 磁感应强度 感应电动势
磁感强度均匀减小 磁感不变 电动势为0 为0
电动势恒定
教学： 感应电动势的大小与磁感强度的变 化快慢直接相关。 当磁感强度均匀变化时，感应电动 势恒定。
电动势恒定
实时实验 1： 观察磁场的变化
旋转螺栓
砝码
摇臂
原理示意图
可调 旋转螺栓 向心力 连接杆 受力时，摇臂处于 横平竖直状态 自重引起误差
摇臂 连接杆
砝码
支撑点
示意图
砝 码
课桌
界面
砝码
每挡光一次，记录一个数据点。
砝 码 砝 码
手工输入半径和质量
力传感器观察窗口
开始记录
输入旋转半径和砝码的质量，转动实验器 的旋臂，随着旋臂转速逐渐减慢，坐标系中 将显示砝码的角速度与向心力的数据点。
实验 3：研究 E 和 Δt 的关系
磁感强度变化率 K
ΔB
K1
ΔB
Δ
K2
K3
K4 K5
E 和 K=
感应电动势E
t
存在什么关系？ E2 E3 E4 E5
E1
K1＜K2＜K3 ＜K4 ＜K5 磁感强度变化率 K 越大； E1＜E2＜E3＜ E4 ＜ E5 感应电动势 E 也越大；
研究 E 和 Δt 的关系
0.38
0.44 0.50
4.21
5.45 6.40
I
4.00
4.80
0.55
0.60
7.27
8.00
电阻值随电压升高而增大
实验中的怪现象
电压
快速拨动滑动变阻器， 瞬间改变电路电流。
？
电流
分别显示电压、电流
电压
电流
产生浪涌电流的原因： 灯丝的冷电阻很小，当 电压瞬间升高时，灯丝的 升温需要有一个过程，在 这一瞬间通过灯丝的电流 很大，这就是浪涌电流； 浪涌电流 随即灯丝温度急剧上升， 电阻增大，电流也相应回 如何形成的？ 落。 浪涌电流对电灯有害。
点击下拉菜单， 选择200
拨动开关
6、研究通电螺线管的磁感应强度
实验装置
磁传感器
10Ω
U＜6V
• 螺线管串接10Ω 电阻器接入稳定 的直流电源（电 压小于6V）。 • 传感器使用前需 预热3分钟。
传感器的作用： 测量磁场的强度
调节电源的正负极， 螺线管不通电wenku.baidu.com情 使磁传感器的读数为 况下，传感器调零。 正值。 人工输入：测量距离 磁感强度测量值
中心抽头
200匝
100匝
螺线管的外侧
使用螺线管的中心抽头，研究电流不变 (0.5A)时，不同匝数所对应的磁感强度。
实验中的注意事项
霍尔元件通电 后会发热
1、串联10Ω保护电阻。 2、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内， 以免损坏器件。
7、测定电源电动势和内阻
使用电压、电流传感器
使用专用软件
第3组数据
改变外力
改变外力，得到第四组数据
第4组数据
改变外力
改变外力，得到第五组数据
第5组数据
改变外力
改变外力，得到第六组数据
第6组数据
改变外力
点击“a－F 图像”
拟合图线
得到加速度 a 和外力 F 图线
理想的实验结果：直线应当通过原点
2、研究加速度与质量的关系
第1组数据
改变质量，得到第二组数据
实验步骤
螺线管
磁传感器
传感器的“0”刻度线与螺线管对齐。 以每次0.5厘米的间隔推入螺线管内部， 并点击“记录数据” 。
均匀的磁场
点击“绘图”，显示螺线管 内部磁场强度分布图线 。
6V电压
线圈匝数不变，不同 电压所对应的磁感强度。
3V电压
间隔为1厘米， 图线不圆滑。
不要点击“清屏”。 清除表格中的全部数据，重新实验， 可得到另一条图线。
螺线管
B－t 图
测量磁感应强度
螺线管的电流变化时， 螺线管内部的磁感强度也 改变螺线管中的电流 发生变化。
实时实验 2： 磁感强度均匀变化时，感应电动势恒定。
调节电源，改变原 线圈的磁感应强度。
原线圈 副线圈 测量副线圈的 感应电动势
测量磁感应强度
改变原线圈的磁 感应强度。
可调电源
智能电源
法拉第电磁感应定 律实验器Ⅱ
间隔0.02A
• 点击“数据计算”，计 算出小灯泡电阻的大小。 • 点击“绘图”，显示电 压与电流的关系图线 。
对应的小灯泡依次为： 6.3V0.15A 6.3V0.42A 6V5W
通用软件测 U – I 曲线
U 0.40 1.20 I 0.18 0.34 R 2.22 3.53
U
1.60
2.40 3.20
电动势E
ΔB
B E∝ Δ t
Δ ΔB 斜率K= Δt
实验显示：感应电动势
与磁感应强度的变化率成正比
11、安培力
力传感器
电流传感器
F
宽边
窄边 I
多次改变电流 I， 测量对应的 F。
S
磁场对线圈宽边的作用
F
I
磁场
磁场对线圈窄边的作用
12、向心力的研究
力传感器测量向心力
光电门测量 旋转速度
砝码
重视实验前仪器的调整
{
L12=(X－X1)2+(Y－Y1)2
L22=(X－X2)2+(Y－Y2)2
R2（x2，y2） L2
L1
T（x，y）
发射器
0
X
接收器
二维运动 传感器
发射器
实测图像
对应的实验数据
改变采集频率
点击Y，显示 竖直方向的分 运动 点击X，显示 水平方向的分 运动
二次函数拟合
求加速度
4、小灯泡U-I曲线描绘
得到加速度 a 与质量 M 图线 点击“a－1／M 图像”
拟合图线
得到加速度a与质量M的倒数 成正比的 图线
理想的实验结果：直线应当通过原点
3、平抛运动
平抛运动实验器
二维平抛运动实验器
光电门
平抛运动
d
实验特色： 通过测量小球的初速度、飞行时间、落地距 离等数据研究平抛运动
压电陶瓷片
二维运动实验系统特色：
能够实时描绘运动物体的轨迹 能够实时记录下运动物体在平面 坐标系内的坐标
能够对坐标值进行数据处理，数 学分析，完成实验教学
二维运动传感器
接收器 发射器
接收头R1
接收头R2 按固定间隔，发射 超声波信号。
同时接收超声波信号
三角定位算法
Y
接收器 R1（x1，y1）
分别测量发射器到 两个接收头R1 、R2的 距离L1、L2。
v
得到：p = m v
挡光片再次通过光 电门时， 测得v， 得到：p ， = m v， 动量的变化量 Δ p＝（ p，－ p）
碰撞后的图线
p=mv
力传感器测得的 F－t 图 Δp
p ，= m v ，
点击“选择区域”
理论值：I ＝ Δ p
改变小车质量、碰撞 速度、碰撞介质等，对 实验进行深入的研究。
三种拟合
分别点击“一次拟合”、“二次拟合”和 “三次拟合”，得出三条拟合图线。 观察可见，二次拟合图线与数据点的分布非常 接近，可推断F-ω之间是二次方的函数关系。
小灯泡U-I曲线描绘
使用电流、电压传感器
电路连接
电压传感器 电流传感器 灯 滑动电阻器
实验步骤
• 点击“开始记录” 和“传感器调零” 。 • 接通电源，点击“记录数据”，将一组电压、电 流值记录在软件的表格中。 • 以适当的电流间隔，改变小灯泡的电流，同时点 击“记录数据”，记录不同电流以及对应的电压 值 。额定电流较大的小灯泡，间隔可相应增大。
寻 找 形 成 的 原 因
灯丝电压（电阻增大，电压上 （若电阻不变） 升）
（若电阻不变）
A B
灯丝电流（电阻增大，电流 C下降）
电压
A
C
B
电流
利用三个界面，同时观察 小灯瞬间点亮，对灯丝的冲击 物理量的变化过程。
5、观察电容充放电现象
off 电学 源生
电 压 传 感 器
多量程电流传感器 20mA