物理習題教學中“仿真物理實驗室”的應用

☆ 王 浩 吳 偉

（南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇南京 210046）

學生要解決好一道物理題目，需要認真準確地分析出其中的各個物理狀態和物理過程，尤其是在綜合性較強的題目中體現得更加明顯。在物理習題教學的過程中，就需要幫助學生把這些復雜的物理狀態和物理過程分析清楚。但是有些題目的物理狀態和物理過程比較抽象，而且大多數物理過程都是比較理想化的，在現實的條件下無法實現，這就導致不少學生因為抽象而難以理解和掌握，使得教學過程較難進行。而“仿真物理實驗室”正好可以幫助教師解決這個問題，“仿真物理實驗室”可以模擬理想化的實驗，它將物理規律內置，也可以對重力場、磁場、電場、摩擦系數、質量、電荷量等物理量按照所需進行設置，并且可以輸出所需要的數據或圖像。此軟件操作簡單，可以很方便地制作出所需課件，將抽象的物理過程形象化，幫助學生理解掌握。下面以帶電粒子在電磁場中的運動為例來簡單介紹“仿真物理實驗室”在物理習題教學中的應用。

例：如圖1 所示，質量為m，帶電荷量為＋q 的帶電粒子以初速度v0垂直進入相互正交的勻強電場E 和勻強磁場B 中，從P 點離開該區域，此時側向位移為s，粒子重力不計，則（ ）。

A．粒子在P 點所受的磁場力可能比電場力大

圖1

這是一個帶電粒子在電磁場中的運動，需要準確分析運動的過程和各個物理量的變化情況。對本題的分析思路大致如下：因為P 點在v0所在水平線的下方，所以，開始時有qE＞qv0B（如果qE＜qv0B 則粒子只能在v0所在水平線的上方出射，這種情況也可通過“仿真物理實驗室”來進行模擬驗證，使得學生對這一點印象更深），在運動過程中，W電＞0,v 增加，qvB 增加，所以，帶電粒子受變力，B 是錯誤的。由動能定理可以判斷D 是錯誤的，C是正確的。對于A，一開始qE＞qv0B，而后qE 不變，qvB增加，而會不會qE＜qvB，在什么時候會qE＜qvB，粒子在運動過程中各個物理量到底是怎樣變化的，軌跡又是什么樣子的？對于部分學生來說就有些難以想象出來，這就可以利用“仿真物理實驗室”進行模擬展示粒子的運動過程和顯示各個物理量的變化情況，讓學生更清晰地了解粒子的運動過程，對學生學習帶電粒子在復合場中的運動問題的認識有很大的幫助。

下面我們來用“仿真物理實驗室”來制作出這樣的課件。

（1）新建實驗。打開“仿真物理實驗室軟件”，單擊“文件”→“新建”，在窗口上出現十字線，在適當的位置單擊鼠標。出現如圖2 所示的對話框，選擇合適的比例后，單擊確定建立坐標系（本例選擇的是0．5 米）。之后出現軟件整體窗口，我們將在這里進行模擬實驗。

圖2

（2）設置實驗基本環境。單擊主菜單上的“設”按鈕，出現如圖3 所示的“實驗設置”對話框，對復選框進行選擇，按照需要進行基本設置（本例不考慮重力作用）。

圖3

（3）創建勻強電場和勻強磁場。單擊“編輯”→“創建”，分別創建勻強磁場和勻強電場，并設置勻強電場和勻強磁場的大小、方向和區域等。也可以在以后通過主菜單上的“調”按鈕對各個對象進行重新設置并修改，如圖4 所示是勻強電場的設置對話框。

圖4

（4）創建運動對象。單擊“編輯”→“創建”→“運動對象”，窗口上出現一個小十字，在合適的位置單擊創建運動對象，將出現對運動對象設置的對話框，對運動對象進行初位置、初速度、質量、帶電量、形狀等基本設置。還可以在該對話框中單擊“動態顯示高級設置”，出現如圖5 所示的窗口，對復選框進行選擇，在調試時將動態地顯示所選的物理量變化情況（本例選擇顯示電場力和顯示洛倫茲力）。

圖5

本例的各個參數設置為M＝1kg，q＝1C，E＝10N／C，B＝5T，Vx＝v0＝1m／s，（此時，qE＞qv0B） 電場方向270°，磁場方向垂直向內。

（5）運行。設置完成后，單擊“運行實驗”按鈕，得到如圖6 所示的運動圖像。學生可以根據動態的運動過程和軌跡結合理論上的數值分析得到粒子運動過程的具體細節，如：變化的洛倫茲力和不變的電場力大小之間呈周期性變化的關系在圖中便一目了然；數值分析可以得出粒子在曲線的拐點處時洛倫茲力和電場力在與v 的垂直方向上的分量大小相等。通過模擬出來的粒子軌跡大大提高了學生理解的效率和深度。

對于問題分析時出現的若qE＜qv0B 時粒子會怎么樣運動呢?？梢灾刂酶魑锢砹康臄抵颠M行模擬。我們將電場強度E 設置為2N／C 或3．5N／C（此時qE＜qv0B），其他數值不變，分別得到如圖7－1（E＝2 N／C 時）和圖7－2（E＝3．5 N／C 時）所示的運動軌跡圖像。

圖6

圖7－1

圖7－2

物理是以實驗為基礎的一門科學，因此，在教學過程中若能輔助以呈現實驗現象的方式會讓學生更加清晰深刻地認識問題，而對于我們所學的知識及實驗，展現起來受到客觀條件的限制，而且一般情況下都是在理想化的情況下，所以，很難實現真實的實驗現象。然而“仿真物理實驗室”的利用可以為我們解決這些問題，模擬理想化的實驗，讓學生觀察現象，加深理解的深度。

對“仿真物理實驗室”這款軟件，還有一些不足之處，在這里指出一點，希望有關技術人員可以解決，即如果在“動態顯示高級設置”里可以顯示運動對象在運動過程中，以運動對象為原點的自然坐標系上的內容就更好了。在本例中，如果可以呈現沿軌跡切線方向的加速度at和垂直于軌跡切線方向（法線方向）的加速度an會有助于學生對曲線中拐點物理意義處的理解。

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[3] 傅梁鎮,陳德華．《仿真物理實驗室》在物理教學中的應用[J]．實驗教學與儀器,2004,(12):21－22．