淺談物理實驗中的模擬法

◆陳小琦

(江西省樟樹二中)

模擬法是通過設計與原型相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規(guī)律的方法。它隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展而發(fā)展，是人類認識世界和改造世界最基礎的方法之一。此法應用于物理教學可使事過境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過程在實驗室重現(xiàn)，可將現(xiàn)象簡化或進行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。

一、對象模擬

就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規(guī)律的客觀實體來代替研究對象的方法叫對象模擬。對象模擬的設計思想主要在于下述兩種情況:其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質特征，摒棄次要的非本質因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如質點、剛體、理想氣體、彈簧振子、點電荷、純電阻、理想變壓器等理想模型，以及天體運動模型、微觀結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時，在實驗基礎上運用對象模擬法，用自行車氣門和進水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發(fā)了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉而產(chǎn)生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍球來模擬地球自轉，然后將紅墨水從上往下滴落在轉動的“地球”表面。此時即可明顯看到水痕西邊呈擴散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現(xiàn)象。

二、物理相似模擬

在科學研究和工程技術的許多領域中，人們常常希望利用模擬試驗來代替對實際現(xiàn)象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無法達到的條件下出現(xiàn)的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動，把設計好的收音機縮小成模型放在風洞中試驗其特性等。其特點即模擬與原型遵循同樣的物理規(guī)律，故稱為物理相似模擬。

三、過程模擬

把具體物理過程純粹化、理想化，并根據(jù)其本質特征而設計的一種模擬叫過程模擬。其特點是過程簡化，易于控制。氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子對器壁連續(xù)碰撞的過程，如果用豆落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現(xiàn)象來模擬，就顯得直觀生動了。布朗運動的模擬，裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模擬的成功例子。電子技術中半導體的導電機理，電子運動易理解，空穴導電則抽象，課堂教學中如用“空位置”的運動來作一現(xiàn)場過程模擬，無疑會使學生茅塞頓開。分析曲線運動的思想方法，運動的分解和合成是個難點，可以平拋運動為突破口，在演示有關實驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運動，既簡單明了，又便于分析。理解機械波的形成過程是本章教學的一個重點和難點，運用模擬器材，以紐扣狀的物體來表示振動的質點，通過搖轉，使質點繞平衡位置上下振動，而整體波形向外傳遞，邊演示邊分析，效果很好。

熱學中的統(tǒng)計方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學時間的限制，怎樣從個別事件的無規(guī)律過渡到大量事件的有規(guī)律，成了模擬實驗的設計難點，在教學中采用全同等可能過程，在不同時刻的空間比較可以等效變換成同一時刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學同時擲幣若干次，然后統(tǒng)計比較下列情況“國徽”朝上的次數(shù)。

四、模擬放大

在物理概念和規(guī)律教學中，學生往往對那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的規(guī)律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大正是采用空間放大和時間放大的方式，抓住本質特征，展現(xiàn)其生動直觀形象，從而促進思維順利進行。

液體壓強與流速的關系學生比較陌生，可以通過模擬放大的方法加以演示，讓學生加深印象。具體方法是:把灌足有色水的氣球跟各部分粗細不同，且在粗細不同的地方有豎直小側管的水平玻璃管連接，讓豎直小側管管口向上。由于氣球膜的收縮力對水產(chǎn)生的水壓使氣球內(nèi)的水通過玻璃管流出，這時我們看到，水在各個側管中上升的高度不同，接玻璃管粗處側管的水面升得較高，接玻璃管細處側管的水面升得較低，這說明流動液體的壓強在管道細的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道細的地方液體流速大，管道粗的地方液體流速小，故實驗表明:液體流速大處壓強小，液體的流速小處壓強大。

如果我們用手擠壓氣球，這時看到玻璃管中水的流速加大，同時所有小側管中的水面下降;松手停止擠壓氣球，可看到玻璃管中水的流速變小，同時所有小側管中的水面上升。用這個方法，我們可以演示，液體流速大時壓強小，流速小時壓強大。

液體表面張力實驗中的“水面浮針”，學生感到新奇，但在分析受力時往往錯誤認為表面張力與重力平衡，經(jīng)指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒有作用在針上。究其原因是學生在形成概念過程中缺乏直觀材料。為此，用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒有作用在針上，作用在針上的是因液體表面張力而產(chǎn)生的液面對針的支持力。通過令人信服的實驗還使學生進一步明確:表面張力的作用是保持液面不分裂。

力的分解，關鍵是根據(jù)力產(chǎn)生的效果來確定分力的方向。其中三角支架是典型的問題，在教學中教師由兩個同學配合，一個同學用手撐著腰，另一個同學在手的肘部用力豎直往下拉，讓他感受力的作用效果。在講摩擦力的方向時，用長毛板刷來模擬放大物體的運動趨勢，一目了然。

新編物理教材中增加了多普勒效應。要觀察由于聲源和觀察者的運動而使接收到的聲音頻率發(fā)生的變化顯然比較困難，但用單位時間內(nèi)從觀察者身旁通過的人數(shù)來模擬放大聲波的波數(shù)，并讓學生實際表演一下，確能使學生在輕松愉快的氣氛中加深對此現(xiàn)象的理解。也可以通過水波在屏幕上加以演示多普勒效應，效果也都很好。