朗威DISLab数字化信息系统试验室物理培训
朗威DISLab数字化信息系统实验室物理培训22页
QUCS（Quite Universal Circuit Simulator)电路仿真软件
可在qucs.sourceforge/index.html下载 直流模拟，交流模拟，散射参数模拟，谐
波平衡分析模拟，噪声分析模拟等，完全可 以满足物理学电子专业学生自主学习的需要。
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教学中的应用方式一
⑴作为学生预习或者复习电学实验一种工具。 普通物理实验——“惠斯登电桥”
自由及开源软件在物理教育中 应用的初步探讨
吴肖 廖文 杨友源 2019年8月
摘要
本论文不但介绍了自由及开源软件的 起源和概念，还对它们在教育中应用的 优势及局限性进行了探讨。此外，我们 更对自由及开源软件如何在物理教育中 发挥有效的应用进行了具体的举例说明。
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自由及开源软件介绍
﹡自由及开源软件(Free and Open source software) 是一种提供用户使用的自由和公开源代码的软件， 它允许任何人自由的运行、拷贝、扩散以及修改和 完善 自由及开源软件的概念首先由美国麻省理工学 院(M．IT)的理查德．斯托曼(Richard Stallman)于 八十年代中后期提出，他认为自由及开源软件是全 人类共同的财富，应该自由传播。此后，他成立了 第一个自由及开源软件组织一一自由软件基金会 (GNU)，并拟订了一份公用版权法律文本(通用公共 许可证)，对自由及开源软件进行了界定。
频率比为2：3 相位差为pi/3
频率比为9：11 相位差为pi
结论
从近期各文献关于信息技术在科学或物理教育上的研究和以上三个自由 及开源软件在物理教学中的应用例子，我们可再一进步肯定和引证自由及 开源软件有着巨大的应用潜力：
⑴自由及开源软件在其功能上并不逊于商业软件，而且比大多数商业软件 小巧。例如Scilab是与Matlab类似的科学计算软件，Matlab可实现的大多 数功能Scilab都能实现。但Matlab非常庞大，对硬件的要求也较高，价格 极为昂贵。相比之下，Scilab具有明显的优势。
基于朗威DISLab自制教具探究阿基米德原理
114基于朗威DISLab 自制教具探究阿基米德原理用日常生活中常见的材料制成阿基米德原理演示仪，并引进朗威智能信息采集系统，仪器易于操作，精确度高，能获取连续的多组数据，同一组仪器可以进行浮力的一系列实验，不需要重新设计仪器，实现数据的即时处理与直观呈现，方便省时，在真实实验的基础上实现了信息技术与物理实验教学的整合[1]。
一、实验系统介绍（一）朗威智能信息采集系统的简介DIS 是英文Digital Information System （数字化信息系统）的缩写。
DISLab 是数字化信息系统实验室的简称。
朗威智能信息采集系统包含传感器、探头、数据采集器和“朗威物理”软件，其中软件包括专用软件和通用软件，它们共同构成了基于数据实时采集和实时处理的完整的现代化实验教学平台。
它集物理量测量、智能化数据分析、数据记录和自动控制等功能于一体，实现了对物理实验的实时控制及对实验数据的自动化采集和处理。
（二）自制阿基米德原理演示仪1.升降台的制作升降台是将两个针管用塑料管连通，一个里面装满水并排空空气，通过推拉其中一个针管中的活塞推动另一个针管中的活塞达到灵活、连续升降的目的。
2.阿基米德原理教具制作用铝管制成的支架，横杆长25.2cm，竖杆高50.0cm。
升降杆是用橡胶棒制成的，与升降台原理基本一样，都是通过推拉针管来调节高度，不同的是使用升降杆时将一个力传感器固定在升降杆上，另外一个力传感器固定在一个竖杆上，支架是可拆卸的。
二、利用朗威DISLab 与自制阿基米德原理演示仪的实验过程实验仪器：朗威数字化信息系统、自制升降台、溢水杯、小桶、重物。
第一步：将两个力传感器插入数据采集器的两个通道中，再将数据采集器连接在电脑上，打开朗威数字化信息系统的通用软件，打开“计算表格”然后，设置变量“Fx ”。
第二步：将小桶挂在I 号力传感器上，对应变量F 1，现在给溢水杯中倒液体直至有液体向外溢出，然后对两个力传感器进行调零（调零后小桶自身的重力以及桶中液体的重力对实验结果将不会造成影响）。
朗威DIS实验室所有的软件可硬件及相关的配套器材或自选器材
（2）数据采集器朗威DISLab数据采集器与计算机以串行方式通信，采用四路并行输入，可同时接插四种传感器。
数据采集器四个输入口的序号由左至右依次为1、2、3、4，与数据通道序列号相对应。
（3）朗威DISLab软件朗威DISLab软件由以下三大功能模块组成：物理量显示、数据记录与计算、坐标绘图及图线分析。
物理量显示：接入传感器后，软件会自动打开该传感器对应的窗口，显示出该传感器所属的数据通道序号、类别、物理量量程及单位。
数据记录与计算：当某一通道接入传感器后，通过朗威DISLab软件主界面上的“计算表格”窗口，弹出该传感器所测物理量的代码和通道序号，并自动建立记录数据的空格列，然后采用自动或手动的方式记录所测实验收据，记录完毕输入相应的计算公式，就可获得实验结果。
坐标绘图及图线分析：利用朗威DISLab软件主界面上的“坐标绘图”窗口，可针对直接来自传感器或取自计算表格的数据绘制相应的数据曲线，还可对获得的数据曲线做进一步的分析和处理，如多种拟合、求导等。
【实验内容】1．如图所以将单摆光电门放置于单摆的平衡位置，使摆线挡光而不是摆球挡光。
2．运行专用软件，设置计时方式为“时刻—隔次”。
3．摆动单摆，按“开始”键，观察光电门工作是否正常。
4．如光电门正常工作，使单摆小振幅摆动，再按“开始”键开始测量。
测量多组数据后停止测量。
5．按“数据记录”把数据记录到表格中进行数据分析，并得出结果。
【实验数据及处理】从上面可以看出来由公式可求出加速度g的值，其中摆长与小球的半径之和L = 0.796 m，由数据处理可得，加速度g = 9.846m/s2 ,与金华重力加速度的值相比比较符合.从上面的数据中t2-t1都是1.78上下浮动.说明单摆的等时性.【实验感想】通过本次实验熟悉了高中物理实验的基本内容。
熟练掌握了仪器的基本使用，研究了仪器的基本结构。
在实验过程中仍然碰到了一些问题，但是通过这些实验，使我明白了要为学生演示实验，使需要十倍于一般的理解和十倍的认识。
用DIS定量研究安培力的实验方案
物理教学探讨Journal of Physics Teaching 第37卷总第527期2019年第5期Vol.37 No.5275.2019. 46 .用DIS 定量研究安培力的实验方案王明辉北京市大兴区第一中学，北京102600摘 要:DISlab (Digital Information System laboratory 数字化信息系统实验室)是一种将传感器、数据采集器和计算机 组合起来，共同完成对物理量测量的装置"利用DIS 信息技术进行探究安培力大小的实验，较好地解决了传统实验方案中存在的问题。
能够全面、精确地探究安培力大小与各种因素之间的定量关系，加深学生对安培力大小计算公式的理解， 并提高学生利用现代信息技术自主探究、进行科学实验的意识，关键词：DIS 信息技术；安培力；探究中图分类号:G633.7 文献标识码：A 文章编号:1003-6148(2019)5-0046-31 现有问题探究安培力大小的影响因素是在学生学习 磁场、磁感线概念之后，学习磁感应强度之前的探究性实验。
通过控制变量法进行实验探究，寻找磁场对通电导线的作用力大小与相关影响因 素的定量关系。
人教版教材E 是通过通电导体棒在安培力作用下的偏移量来确定安培力大小的. 教科版回用弹簧测力计测量线圈所受安培力。
两 种实验方案的问题在于对安培力大小的测量数 据少。
且均只能探究安培力与电流、导线处于磁场中的长度之间的关系，不能分析导线放置方向及磁场强弱对安培力的影响。
而利用朗威DISLab 的微力传感器、电流传感器及安培力实验 器(如图1)则可以探究安培力与导线 和磁场夹角、电流、 有效长度的关系，经 过器材改进，也可以探究磁场强弱对安 培力大小的影响，为磁感应强度概念学 习奠定基础，甚至可 以利用实验数据计算得出实验中磁场 的磁感应强度大小。
图1实验装置2 基于DIS 信息技术的实验探究2.1实验器材DIS 数字信息实验系统，安培力实验器，微力传感器，电流传感器，大、小U 型磁铁各一对, 学生电源，滑动变阻器，导线若干。
朗威DISLab数字化信息系统试验室物理培训
图9 电源的整流滤波电路
图10 不同的负载电阻整流后的输出波形
SCILAB科学计算软件
下载。 Scilab内含大量各类的数学函数、统计函数、 线性代数处理、矩阵处理、多项式计算、积 分微分、二十多类数学难题或方程式的求解。 另外，它亦提供约70项信号处理的过滤、采 样及转换等方法。它主要有三个功能：数值 计算、计算结果可视化以及图形化动态模型 仿真。这三个功能在物理教学中有着广泛的 应用
数值计算
利用Scilab计算出不同初始条件下单摆的 角度与角速度，并绘制出不同扰动系数下 单摆在相空间的轨迹图，以观察从有序到 混沌的变化过程。
扰动系数m=0
扰动系数m=0.17
扰动系数m=4.89
计算结果可视化
利用Scilab计算表征干涉光强的矩阵，并将其 作为颜色索引向量，绘制出牛顿环的干涉图像， 实现数据的可视化。
教学中的应用方式二
⑵用于老师进行电子电路等课程的教学 一种电子电路的画图工具。其模拟结果呈 现物理规律。在QUCS的网站上有许多已经 做好的例子，可供老师下载直接教学之用。
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教学中的应用方式三
⑶用于学生自主设计开发电路。学生在自行 设计一些电路时，QUCS可以立即反馈设计 电路的实验结果，帮助学生在最短时间内判 断电路的正确与否。
谢谢！请多指教
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教学中的应用方式一
⑴作为学生预习或者复习电学实验一种工具。 普通物理实验——“惠斯登电桥”
参数设定：Param=Rmeasure Start=100 ohm ;Stop=1kohm;point=100 Param=Rbranch; Start=500 ohm;Stop=1.5kohm,point=3
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自由及开源软件的杰出代表
DISLab_让实验教学更为有效
大磁体，当传感器测量端指向北的时候，测量值最
பைடு நூலகம்
大，指向南的时候，测量值最小，说明地理北极为 S
极，地理南极为 N 极。用同样的方法，让传感器的
测量端在南北方向的垂直平面内转动，观察示数的
变化，可以测出地磁场的磁感线方向既不是水平的
也不是垂直的（在高中将学习磁感线，它是在磁场
中画出的一些有方向的曲线，这些曲线上每一点的
关键词 中学物理 实验教学 数字化信息系统
科学是一门综合性课程，其中的物理部分又是 一门以实验为基础的学科，实验教学的质量和有效 性较大程度地影响着物理教学的效果。现代信息教 育环境下，DISlab（Digital Information System laboratory 数字化信息系统实验室）为我们开辟了一条新 的实验教学之路，它是一种将传感器、数据采集器 和计算机组合起来，共同完成对物理量测量的装 置。在 DIS 实验过程中，可以直接在电脑上得到实 验数据，并通过图表、图线等具体分析出实验结果， 十分直观与简便，大大简化了以往实验课上繁琐的 计算过程，既节约了时间又让学生感到直观易懂。 本文通过电磁学等一些极具代表性的实验例子来 讲述 DIS 实验室在中学物理教学方面的作用和对 中学物理教学的影响。
上的示数相同即可。而 DISLab 利用两个力传感器， 实验中力的大小随时可变，并能实时显示，拉力和 推力也可瞬间切换。笔者认为，中学物理教学应该 以实验为主导，以往因仪器设备功能的限制，造成 了实验中的很多疑难问题，导致有些教学过程缺乏 实验支撑，教师们不得不“从理论到理论”，学生们 也只能“从结果到结果”。现在 DISLab 传感器基本 扫清了实验“禁区”和“死角”，为教师们立足中学物 理学科知识体系，构建“从观察到发现、从实验到理 论”的学习过程，提供了有力支撑，从而使整个教学 过程充满生机与活力，催生了新的教法，改革了传 统的“教”与“学”的关系，提高了实验效率。正因 DIS 实验室的这些优点，所以 DIS 实验在实验教学 上发挥着相当大的作用。
DISlab在大学物理实验中的应用
DISlab在大学物理实验中的应用作者：王艳华呼和满都拉胡晓颖来源：《课程教育研究》2019年第06期【摘要】本文主要以DISlab在大学物理实验中的应用为重点进行阐述，结合当下DISlab 在物理实验教学中运用意义和DISIab在大学物理实验中应用为主要依据，从DISlab实验体系与物理实验融合教学和物理实验DISlab处理研究这两方面进行深入探索与研究，其目的在于加强DISlab在大学物理实验应用中的运作效率。
【关键词】数字化信息系统; 物理实验【中图分类号】G434;O4-4 ; 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）06-0234-011.DISIab在物理实验教学中运用意义大学物理实验教学就是通过实验帮助学生建立知识结构，在实验中充分理解教学理论和知识，通过实践操作和亲自动手尝试打破内心疑问，解决物理知识重难点，具有很明显针对性，能够吸引学生学习注意力，激发学生学习兴趣，调动学生学习积极性和主动性，有利于学生学习和掌握知识。
实验教学为物理教学质量提供了能够通过视觉和动手操作进行演示和直观探讨的机会。
物理实验教学是物理教学中的有效手段，能够帮助学生建立合理、科学的物理知识结构，帮助学生理解抽象知识和理论等内容。
不过在以往的物理课堂上无法实现物理理论知识和实验共同讲解的教学，因此，运用DISlab在物理实验教学中，将物理理论知识和实验教学与数字化DISlab技术结合在一起，让学生自身具有一定的数字化物理实验教学技巧和能力，增强学生的教学能力和水平。
DISlab是数字化信息体系实验的缩写，一般是由实验传感器、数字信息收集整理器、实验工具包、计算机等组成[1]。
应用DISlab实验体系在进行物理实验时，收集的物理信息更加准确和方便，是通过计算机对实验进行加工和处理，形成有效实验数据信息，学生通过这些数据变化参考能够迅速掌握实验变化和最终结果。
学生在以DISlab实验体系为中心进行物理实验过程中会不断提升学生的物理实验水平，同时会增强学生综合能力。
朗威DISLab与电磁学实验教学
利用图 57 所示的实验装置，可将愣次定律实验做进一步的升华：使单匝线圈与实验台 面平行，将条形磁铁的一端置于实验台面上，保持条形磁铁与实验台面和线圈的垂直，使之 做水平运动（图 59），此时没有感生电流出现；倘若使单匝线圈与实验台面产生一个夹角，
朗威®DISLab 与电磁学实验教学
电磁学是高中物理课程的重要组成部分，具有内容广泛、扩展性强、与现实结合紧密等 特点。但电磁学研究的对象相对抽象，再加上受限于传统的实验手段和方法，使一些物理现 象不能够清晰展现，影响了学生对物理规律的认识，特别是物理建模能力的培养。有的学生 甚至因为电磁学的“艰深、晦涩”而失去了学习物理的信心。
向与粗铜丝垂直，进行软件调零。接通学生电源，
可获得粗铜丝周围的磁感应强度测量值。改变传
感器与粗铜丝之间的距离，发现随着距离的减小，
磁感应强度增大。保持传感器与粗铜丝之间的距
图 60 笔者多年以前开发的直线电流磁场实验装置
离不变，调节滑线变阻器改变通过粗铜丝的电流， 发现随着电流的增大，磁感应强度也增大。
硬软件的有机结合增加了实验的深度，拓展了电磁学实验的广度，众多极为精彩、对学生有 很大启发、必须通过微小信号测量才能够完成的拓展型实验，如人体导电、大地电流、水果 电池、纯水导电、热电偶等，得以进入实验室和课堂。学生可以全方位地拓展实验空间，广 泛研究身边有趣的电磁现象，而这正是信息技术与物理教学整合的目的所在。
朗威®DISLab 微电流传感器将实验精度由灵敏电流计的毫安计提升到了微安级，从而 能够清晰地观察单根导线切割磁力线感生的电流，许多教师多年的设想得以实现（图 55）。 不仅如此，微电流传感器提供的多模显示方式使得感生电流的呈现方式更加符合教学的要 求：在“示波显示”方式下，学生不仅可以观察到感生电流现象，还可以在导线的运动与“电
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数值计算
利用Scilab计算出不同初始条件下单摆的 角度与角速度，并绘制出不同扰动系数下 单摆在相空间的轨迹图，以观察从有序到 混沌的变化过程。
扰动系数m=0
扰动系数m=0.17
扰动系数m=4.89
计算结果可视化
利用Scilab计算表征干涉光强的矩阵，并将其 作为颜色索引向量，绘制出牛顿环的干涉图像， 实现数据的可视化。
教学中的应用方式二
⑵用于老师进行电子电路等课程的教学 一种电子电路的画图工具。其模拟结果呈 现物理规律。在QUCS的网站上有许多已经 做好的例子，可供老师下载直接教学之用。
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教学中的应用方式三
⑶用于学生自主设计开发电路。学生在自行 设计一些电路时，QUCS可以立即反馈设计 电路的实验结果，帮助学生在最短时间内判 断电路的正确与否。
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不同的音色，不同的波形
（a）小提琴 （b）大提琴 图2 小提琴和大提琴的发音波形
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实验二
探究拍的波形，量度拍频。学生可 以通过观察拍的波形，加深对波的叠加 规律的理解。
频率相差大约2Hz的两个音叉
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实验三
观察共振波形，测试共振效果。选用 两个频率相同的音叉 a ， b ，敲打 a 音叉使 其发声，随后握住 a 音叉使其停止振动， Praat采集的波形为
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自由及开源软件的杰出代表
★Linux ★Netscape 提供他们的 Navigator浏览器的源代 码，其后发展成为现今非常受欢迎的Mozilla(或 Firefox)浏览器 ★ Sun公司 办公室套件 除了操作系统、浏览器及办公套件外，在 数据库、中间件、开发环境、测试工具、电子 商务平台、群件、教育软件等领域里都有大量 成熟的自由及开源软件存在。 3
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3 自由及开源软件在物理教育中 的应用举例及讨论
Praat 声音分析软件
免费从 http://www.fon.hum.uva.nl/praat/ 下 载 录制声音，实现声音波形的图形化，能实 现声音的声谱分析，音高分析，共振峰分析， 音强分析等几乎所有的语音分析。 6
实验一
⑴探究敲打力度与声音的响度、波形的振幅之 间的关系，探究声音的音调与音叉频率之间 的关系，精确的测量音叉的频率，探究声音 的音色与波形的关系。
Байду номын сангаас
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教学中的应用方式一
⑴作为学生预习或者复习电学实验一种工具。 普通物理实验——“惠斯登电桥”
参数设定：Param=Rmeasure Start=100 ohm ;Stop=1kohm;point=100 Param=Rbranch; Start=500 ohm;Stop=1.5kohm,point=3
自由及开源软件在物理教育中 应用的初步探讨
吴肖 廖文 杨友源 2006年8月
摘要
本论文不但介绍了自由及开源软件的 起源和概念，还对它们在教育中应用的 优势及局限性进行了探讨。此外，我们 更对自由及开源软件如何在物理教育中 发挥有效的应用进行了具体的举例说明。
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自由及开源软件介绍
﹡自由及开源软件(Free and Open source software) 是一种提供用户使用的自由和公开源代码的软件， 它允许任何人自由的运行、拷贝、扩散以及修改和 完善 自由及开源软件的概念首先由美国麻省理工学 院(M．IT)的理查德．斯托曼(Richard Stallman)于 八十年代中后期提出，他认为自由及开源软件是全 人类共同的财富，应该自由传播。此后，他成立了 第一个自由及开源软件组织一一自由软件基金会 (GNU)，并拟订了一份公用版权法律文本(通用公共 许可证)，对自由及开源软件进行了界定。
图形化动态模型仿真(Scicos)
Scicos (SCILAB connected object simulator)是一 种基于SCILAB平台的图形化动态模型仿真器，它 可以直观、有效地表现物理过程或数字模型中的数 据传递、演算、变换、显示等过程。本例“李萨如 图形”的图形化模型仿真就是它的一个简单应用。
频率比为2：3 相位差为pi/3
频率比为9：11 相位差为pi
结论
从近期各文献关于信息技术在科学或物理教育上的研究和以上三个自由 及开源软件在物理教学中的应用例子，我们可再一进步肯定和引证自由及 开源软件有着巨大的应用潜力：
⑴自由及开源软件在其功能上并不逊于商业软件，而且比大多数商业软件 小巧。例如Scilab是与Matlab类似的科学计算软件，Matlab可实现的大多 数功能Scilab都能实现。但Matlab非常庞大，对硬件的要求也较高，价格 极为昂贵。相比之下，Scilab具有明显的优势。 ⑵自由及开源软件设计比较具有人性化，操作起来非常的简单，Praat和 QUCS都非常地简单易学，用起来得心应手，所以很容易在学生中得到推 广。另外由于软件参与设计的人多，其缺点可得到迅速地反馈，升级也比 较迅速。 此外，在高中及大学物理教学中，我们还可应用到很多著名的自由及 开源软件，其中包括制作立体及虚拟真实的各类物理课件。最后，通过以 上的介绍和应用例子的说明，我们期望能启发更多物理教师去尝试采用及 推广自由及开源软件在物理教学上的有效应用。
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QUCS（Quite Universal Circuit Simulator)电路仿真软件
可在/index.html 下载 直流模拟，交流模拟，散射参数模拟，谐 波平衡分析模拟，噪声分析模拟等，完全可 以满足物理学电子专业学生自主学习的需要。
自由及开源软件在教育中应用的优势
⑴节约有限的教育经费，缓解教育行业资金短缺 ⑵倡导合法、规范地使用软件的风气 ⑶自由及开源软件的运行更加稳定和安全，并对 硬件的要求不高，可拯救部分被淘汰的旧计算 机设备。 ⑷自由及开源软件可以培养人的创新精神，使教 学资源发挥最大的收益。 4
尽管自由及开源软件有如此多的优势， 但由于其发展还不够完善，存在着一些局限 性，如需要对老师和学生的计算机能力的再 培训，技术支持的缺乏，硬件驱动的无效， 加之学校管理层对自由及开源软件缺乏认识 以及来自专利软件的压力，使其应用受到了 一些限制。
图9 电源的整流滤波电路
图10 不同的负载电阻整流后的输出波形
SCILAB科学计算软件
下载。 Scilab内含大量各类的数学函数、统计函数、 线性代数处理、矩阵处理、多项式计算、积 分微分、二十多类数学难题或方程式的求解。 另外，它亦提供约70项信号处理的过滤、采 样及转换等方法。它主要有三个功能：数值 计算、计算结果可视化以及图形化动态模型 仿真。这三个功能在物理教学中有着广泛的 应用