中學物理虛擬實驗研究

王付軍 劉云松

摘要 通過常見的通用軟件實現物理虛擬實驗,對教學中一些難于用實物實現的實驗實現重現,從而提高物理教學效果。

關鍵詞 虛擬實驗;通用軟件;步驟

中圖分類號:G 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)30-0111-02

Virtual Physics Experimental Research//Wang Fujun, Liu Yunson

Abstract The physical realization of the common general purpose software, a virtual experiment in teaching some of the difficult to achieve with physical experiments to achieve reproducible, thereby enhancing the physical teaching effect.

Key words virtual experiment; general software; steps

Authors address Liaocheng University, Fairmont College, Liaocheng, Shandong, 252000, China

物理是一門實驗科學,物理實驗在中學物理課程中具有非常重要的位置。物理實驗方法既是科學家研究問題的方法,也是學生在學習物理中常用的方法。新課標也要求學生掌握一些探究問題的物理方法。但物理中的許多實驗用實物無法實現,如橫波縱波的傳播機理,光的干涉、衍射、透射中透鏡中的光路等,還有歷史的經典實驗無法真實再現。計算機技術的飛速發展為用軟件實現中學物理實驗提供了基礎,典型的有虛擬儀器軟件Labview、電路的仿真軟件ewb等,但這些軟件不易上手,且有較強的專業性,不太適合中學物理的教學實際,因此需探討基于通用軟件的中學物理虛擬實驗。

通用軟件應該是在任意一臺Windows操作系統的個人PC中使用的、大眾化的、常用的軟件,這些軟件包括Flash、Mathematica、UltraKey(數字虛擬演播室)、幾何畫板、Sketch Up等,它們便于使用,上手快,開發新的實驗周期短,能較好地滿足物理教學的需要。下面以幾何畫板和Sketch Up為例進行探討。

1 基于幾何畫板的虛擬實驗

作為用于中小學平面幾何的教學工具軟件,幾何畫板的獨特動態功能,把傳統的幾何教學帶入一個嶄新的領域。在物理學上,很多規律都有其數學模型,因而就可利用幾何畫板來模擬物理實驗。它可以說是物理學的“模擬實驗樓”。物理教師備課可以用它,講課可以用它,學生學習也可以用它,所以它是一個提高中學物理教學效率和教學質量的良好工具。幾何畫板有以下幾個特點。

1)動態性。用鼠標拖動圖形上的任一元素(點、線、圓),而事先給定的所有幾何關系(即圖形的基本性質)都保持不變。幾何畫板將物理規律以不同的方式完美地結合在一起。如在“凸透鏡成像”這一課題中,就可在動態演示物距變化與像距及焦距的關系基礎上,再用數據把每一位置的像距、焦距、物距表示出來,套入公式驗證,讓學生更易于理解。

2)形象性。幾何畫板能營造物理情景。上課時,當教師說“在平面上任取一點”時,在黑板上畫出的點卻永遠是固定的,而幾何畫板就可以讓“任意一點”隨意運動,非常形象使它更容易為學生所理解。所以可以把幾何畫板看成是一塊形象的“動態的黑板”。

3)操作簡單。一切操作都只靠工具欄和菜單實現,而無需編制任何程序。在幾何畫板中,一切都要借助于幾何關系來表現,因此用它設計軟件,最關鍵的是“把握幾何關系”,而這正是教師所擅長的;但同時這也是它的局限性:它只適用于能夠用幾何模型來描述的內容,如幾何問題,部分物理、天文問題等。

例如幾何畫板動態演示力的分解,可以按以下步驟制作:1)構造小球,如圖1所示;2)構造重力矢量圖,如圖2所示;3)完善課件,如圖3所示。

2 基于Sketch Up的中學物理虛擬實驗

Sketch Up是一款建筑和室內裝修建模軟件,官方網站將它比喻為電子設計中的“鉛筆”。Sketch Up具有應用簡便,可以快速上手的特點。Sketch Up命令不多,很多命令都是一令多能、一令多用,所以界面簡潔,效率很高。一般而言,幾天就能初步入門,認真做上幾個模型,很快就能樂在其中。另外,Sketch Up還具有“所見即所得”和“組件替換”的特點。所謂“所見即所得”,就是屏幕操作所見即最終所得,這就使得設計者的心理基本上處于被解放的狀態,而不是處處擔心軟件的掣肘。“組件替換”能力則使得設計師可以從很粗的模型開始,不斷細化各個細部構件,同時也可以把同樣的構件做成不同的方案,隨時通過組件代換比較效果。

條形磁鐵的磁場分布,演示實驗有很多種方法,但都是平面的,而真實的磁場是三維的。下面看如何用Sketch Up來實現:1)打開Sketch Up軟件,可以看到常用的工具都以圖形的方式放在窗口(圖4);2)首先用“繪制弧線”工具畫一組弧線(圖5);3)用“平移”工具將一組磁場線“復制”“粘貼”為不同角度的8組磁場線(當然,這只是有代表性的8個角度而已)(圖6);4)利用“繪制正方形”工具與“2D轉3D”畫出立方體,再將立方體用“平移”鍵移到恰當的位置(圖7);5)利用“材質”工具給磁鐵上色,一組可觀看條形磁鐵磁場分布的虛擬實驗便完成了;6)單擊“漫游鍵”,可以得多方位多角度的觀察圖。用同樣的方法可以做出高中階段絕大部分的磁場、電場3D分布圖(圖8)。

3 結語

由于技術、成本及不可抗因素,虛擬實驗總是與實物實驗有一定差距,虛擬實驗只是用來學習物理理論的,在實驗的過程當中無法產生真實的問題情境變換。比如說同樣看到蜂窩,生物學家看到的是它的功能;化學家看到的是它的成分;藝術家看到的是它的顏色、光影;詩人有感而發開始贊美;物理學家呢?當然想的是它的結構。物理虛擬實驗不可能全息地反映一個實驗,當然也就失去二次發現的機會。所以能用實物實驗的,應盡量用實物實驗。虛擬實驗也有自己獨特的優勢,合理地利用能更好地為教學服務。

參考文獻

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