中學物理教學中仿真物理實驗的應用探究

【摘要】以物體運動為例，闡述利用仿真物理實驗來模擬物體的動態(tài)過程的一般方法，講解利用仿真實驗來幫助分析物理運動過程和解答物理問題的策略。

【關鍵詞】仿真物理實驗物體的運動

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06B-0073-02

一、什么是仿真物理實驗？

仿真物理實驗是指在沒有普通意義上的實驗必備器材的基礎上，利用計算機的仿真軟件模擬現(xiàn)實情景，重現(xiàn)物理過程在現(xiàn)實中的現(xiàn)象。它通過圖形化界面來體現(xiàn)理論條件下的實驗過程，模擬物理實驗的現(xiàn)實效果。

一般而言，仿真物理實驗是利用FLASH技術開發(fā)的最富真實感的實驗，可直接在電腦上在線模擬操作。根據(jù)物理原理、公式、定律、定理等，通過自主操作，設計出相應的實驗情境、實驗模型，從而達到實驗目的。在物理教學中，當物理條件、情境發(fā)生改變時，結果往往也會發(fā)生改變，可是學生感覺比較抽象，對這些改變難以理解。通過仿真物理實驗來模擬顯示，學生就能從模擬實驗中觀察到現(xiàn)實中很難觀察到的物理現(xiàn)象，看到變化及其細節(jié)，因此對有關物理現(xiàn)象比較容易理解。比如物體運動在臨界條件下的變化，現(xiàn)實中很難觀察得到，利用模擬實驗就能夠直觀地觀察到臨界條件下的物體運動的變化。又如，對一些運動實驗，學生很想在不同的條件下，其運動的軌跡是怎樣變化，學生可以通過修改數(shù)據(jù)和條件，然后就馬上可以在電腦上觀察到這些變化，加深對物理的理解和對知識的把握。還有，學生可以利用仿真實驗來對自己在物理學習中推導出來的結果進行檢驗，即利用仿真物理實驗來驗證結果。這些對培養(yǎng)學生的思維能力、綜合應用能力、開展探究能力都有很大的幫助。

二、“物體的運動”在中學物理教學遇到的困難

在高中物理教學中，力和運動始終貫穿于中學物理教學的整個過程中，要真正去理解力和運動，必須要充分理解物體運動的現(xiàn)象、規(guī)律。這要求學生要有豐富的空間思維能力，能夠在頭腦中形成一個動態(tài)的模型，對物體的運動過程、受力情況進行展示。在這一點上，不是每個學生都能做到。實際上，很多學生覺得物理難學也正是這個原因。例如動量守恒應用中，我們常碰到這樣的幾種運動狀況，一個物體在另一個物體上面運動、帶電粒子在復合場的運動以及平拋運動、圓周運動、天體運動、機械振動等物體運動，這些運動都比較復雜，有些很難用實驗儀器來真實地演示這些運動現(xiàn)象。我們知道，實驗演示雖然真實、直觀，但由于實驗過程的時間短，有的甚至不能對過程進行回放演示，不能對細節(jié)部分進行放大，更不能直接修改運動的參數(shù)而達到不同的效果，這些限制使得“物體的運動”在教學中遇到了困難。如果我們利用仿真物理實驗來處理物體的動態(tài)過程，學生將會一目了然，學生對物體運動的困惑從觀察仿真實驗中得到一一破解，取得良好的學習效果。

仿真物理實驗目前市場上已經(jīng)有成熟的軟件系統(tǒng)，可以直接運用，只需一部電腦即可進行操作，在大多數(shù)學校都具備運用條件。仿真實驗軟件的好處是，在教學過程中教師可以直接在課堂上進行操作、演示實驗，也可以讓學生在各自的電腦上操作演示。“仿真物理實驗室”軟件固化了物理教學中常用的模型、情境和所有的公式，學生很容易利用它來建立相應的物理模型，然后進行相應的物理仿真實驗，幫助學生很好地理解物理過程。用仿真物理實驗來模擬演示實驗，有利于“物體的運動”的教學。

三、“仿真物理實驗室”軟件模擬“物體的運動”在教學中的具體應用

仿真物理實驗教學中如何進行呢？我們將以下面給出的例子來說明。

【例題】如圖所示，質(zhì)量為M=1km長木板B靜止在光滑水平面上，一質(zhì)量為m=0.5kg的小滑塊A（可視為質(zhì)點）放在長木板的右端，現(xiàn)在給長木板以水平速度v0=12m/s向右運動，滑塊與長木板的動摩擦因數(shù)為，g取10m/s2，若滑塊不從長木板左端滑出，求木板長度 l 至少是多少？

解設滑塊運動到木板左端時，兩物體剛好有共同的速度 v，根據(jù)動量守恒

①

根據(jù)能量守恒

②

由①②表達式整理可得

代入數(shù)據(jù)，可求得l=9.6米。

上面是我們從理論上計算出的結果，但是這個理論結果和實際上的結果是不是一樣呢？我們可以通過仿真物理實驗來進行驗證。

如圖1和圖2是通過“仿真物理實驗室”軟件來模擬顯示出來的實驗結果。

圖1是運動前的狀態(tài)。

圖1

圖2是運動的結果（運行、驗證結果）。

圖2

在這個仿真實驗中，我們利用“仿真物理實驗室”軟件給出與題目一樣的參數(shù)，即M=1km，m=0.5kg，，g=1m/s2。當取l=9.6m 時，滑塊正好在木板左端而不滑出。其他量保持不變，如果改變l 的值，滑塊將在木板上的不同位置。從這個仿真驗證實驗的結果來看，效果明顯、直觀，很好地驗證了理論結果，并容易被學生接受。對于這種相對運動的問題，很多學生對滑塊和木板如何運動，即向左還是向右往往弄不明白，由于受到相對運動的影響，很多同學誤以為滑塊是向左運動的，實際上滑塊和木板都是向右運動，通過實驗顯示，學生一目了然了。

又如下圖是我們在教學中常見到的一種運動模型，要使得小球能在豎直平面內(nèi)做圓運動（或不脫離軌道），小球運動的速度范圍是多少？

我們在教學過程中可以先讓學生思考、計算，然后再通過“仿真物理實驗室”來驗證結果，甚至可以通過改變速度來演示小球運動的結果，這比通過我們老師口頭描述小球運動要好得多。對于這類學生難理解的問題，通過仿真實驗來進行直觀、簡單、明了地展現(xiàn)物理過程和運動結果，學生就不感到那么抽象，能夠把抽象的知識具體化。

四、仿真物理實驗能夠很好培養(yǎng)學生的思維能力

上面模擬實驗中，因為要考慮到滑塊有一定的長度，在設置木板長度時要把滑塊長度考慮進去，才能得到上述電腦顯示的結果。如果要使滑塊不從木板左端滑出，還可以通過改變哪些條件也能達到呢？對于這個問題，可以交給學生去討論，然后讓學生根據(jù)他們自己提出的方案先進行理論上的計算，再利用仿真實驗來進行驗證。通過拓展這個題目，利用仿真實驗，讓學生從更多的方面來考慮問題，培養(yǎng)學生的思維能力，提高學生的想象力。

“仿真物理實驗室”軟件為我們提供了一個實驗器具完備的理想的綜合實驗室，它雖然不是實物實驗室，但它可以幫助我們更好地學會利用實驗來進行物理學習。在這個仿真實驗室中，我們可以親自動手創(chuàng)建你所能想象的所有實驗。高中物理中的理論、公式、過程、現(xiàn)象都已經(jīng)固化在這個“仿真物理實驗室”軟件中，我們只需修改相關的參數(shù)就可以很好地進行相關的實驗。例如上面提到的例子，只要我們修改一下木板的質(zhì)量、小物塊的質(zhì)量以及它們間的摩擦因數(shù)，就可以觀察到不同條件下的各種運動狀態(tài)，更好地理解這個題目的本質(zhì)特征，更好地理解動量守恒定律和能量守恒定律，更好地訓練學生的物理思維能力。

五、利用“仿真物理實驗室”進行“物體的運動”教學的總結和反思

（一）備課中存在的問題。雖然，我們可以用“搭積木”方式從軟件中很快建立一個物理情境（模型），但要建立一個完美的情境還必須要通過理論分析、推斷才能建立起來，比如上述的例題中，題目給出的滑塊是一個質(zhì)點，而在“仿真物理實驗室”中的滑塊必須要考慮長度，如果沒有注意到這一點，滑塊將會從木板掉下或滑不到端點。又比如在星體運動、帶電粒子的運動，宏觀和微觀的尺寸相差很大，在設置實際長度和屏幕距離的比例關系時，務必要和實際上的數(shù)量級相符合，否則實驗將無法模擬演示。這些都需要教師在上課前，一定要做好可能出現(xiàn)各種情況的設想。

（二）教學中存在的問題。在教學過程中，教師先給出一個問題，讓學生思考，然后通過“仿真物理實驗室”來模擬演示，驗證結果，最后通過學生提出可能出現(xiàn)的情況進行進一步的模擬演示。例如上面的例題中要使得滑塊不從長木板左端滑出，還可以通過改變哪些參數(shù)可以達到呢？學生會給出如改變兩物體的質(zhì)量、木板長度、摩擦因數(shù)和初速度等可能性，但我們在教學中不可能全部驗證。畢竟一節(jié)課的時間有限，這些操作只能留給學生課后去自己驗證了。如果學校和學生沒有電腦也很難做到，這也是困擾我們教學的一個點。當然，如果條件許可，學生可以在家用電腦進行驗證研究。“仿真物理實驗室”對教學和學習，特別是對學生的研究性學習，都有很大的幫助。

“仿真物理實驗室”在中學教學過程中可能還會出現(xiàn)各種預想不到的困難，但這些困難我們是可以不斷克服的。不管怎樣，“仿真物理實驗室”對培養(yǎng)學生思維能力和探索能力都具有很大的幫助。

【參考文獻】

［1］中學仿真實驗室應用培訓教程［Z］.南寧市現(xiàn)代教育教學中心

［2］李云霞．高中物理題中隱含的動態(tài)過程的分析［J］.百色學院學報，2006（S1）

［3］裴明旭，劉波.大學物理仿真實驗的應用與反思［J］.江蘇技術師范學院， 2010（6）

（責編盧建龍）