物理仿真軟件在物理教學中的應用探討
——以“變壓器”教學為例

黃愛鳳

(江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161)

·現代教育技術·

物理仿真軟件在物理教學中的應用探討
——以“變壓器”教學為例

黃愛鳳

(江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161)

本文以Comsol Mutiphysics軟件在“變壓器”教學中的應用為例，探討物理仿真軟件在物理教學中應用的可行性，供廣大一線教師參考.

仿真軟件；物理教學；電磁感應

隨著科學技術的不斷進步，創新型人才的培養逐漸被大家所重視，物理教學對培養創新型人才有著至關重要的作用.由于各種因素的限制，有些物理原理及其應用等不能從課堂實驗的現象或結果中呈現，導致學生對于物理原理理解上出現偏差.隨著計算機技術的不斷更新發展，虛擬仿真技術作為軟件技術與物理教學整合的途徑之一，為物理教學改革提供了一條思路.近年來幾何畫板、Matlab等軟件逐漸受到廣大物理教師的認可，而調查發現，以物理方程為內核，解決多重物理耦合的軟件Comsol Mutiphysics還未得到一線物理教師的廣泛認知.本文以Comsol Multiphysics中變壓器模型為例，介紹物理仿真軟件在物理教學中應用的可行性.

1 “變壓器”教學探討

圖1

2 在Comsol Mutiphysics中變壓器的建模與設置

2.1 模型建立

Comsol Mutiphysics的基本建模流程為：確定物理模塊→建立幾何模型→設定計算條件→物理模型設定→結果設定.在確定物理模塊環節中，至少需選擇軟件中已經設定好的力、熱、電、磁、光等模塊中的一個，亦可根據實際問題需要多選.如變壓器模型，可選擇電學模塊中的AC/DC模塊，也需要選擇磁場模塊.考慮到渦流及發熱情況的話，仍需選擇電場模塊及熱分布模塊，且物理量是隨時間變化的，需要選擇在隨時變化環境下進行建模.由于篇幅限制，本文只選擇了磁場、電路這兩個模塊下的時間求解環節，其他的未做考慮.

幾何模型是建立實際求解問題的計算空間、初始條件設置的載體及結果展現的設定，根據需要，建立從實際問題上抽象出來的幾何模型.以變壓器為例，可建立作為磁場分布區域的鐵芯為三維的矩形結構；建立初、次級線圈作為電流分布載體的圓柱形分布結構；為了簡化問題，本文將初、次級線圈以同心圓柱體模型作為電流分布結構，結構的整體模型及線圈和鐵芯建模后的結構分別如圖2(a)、(b)、(c)所示.

圖2

在完成幾何模型結構后，需要將基本的初始條件進行設置，如圖1中的線圈匝數Ns、Np，外電源電動勢最大值Uac、頻率f、電阻Rp、Rs.

這樣的偏微分方程及邊界條件是該軟件的核心內容，同樣也是軟件使用初期較難上手的一個主要問題，因此軟件當中自帶了較多的應用范例及物理學偏微分方程說明文檔，方便使用者的自學與練習.

結果設定部分則是計算結果的輸出及展示，也就是期望看到哪些結果，呈現方式是什么.以變壓器為例，我們希望能得到鐵芯當中的磁場分布，初、次級線圈中電壓、電流隨時間的變化關系等.

2.2 計算結果與討論

為了能讓學生獲得準確、清晰、生動的知識展示以達到更好的教學效果，三維圖形或者三維視頻作為教學中的素材應該是當前技術下的首選，特別是在電磁場部分的教學當中，電場或者磁場的分布在其大小及方向隨時間變化的情況下，非常難以用語言進行闡述，給學生以生動的三維圖像展示能在教學中事半功倍.如圖3所示為變壓器鐵芯中磁場分布及線圈當中電流走向的三維結果，用不同顏色標示了鐵芯中各個部位磁感應強度的大小，顏色偏紅表示磁感應強度較大，偏藍則較小，從中可以看出磁場整體在鐵芯中的環形分布.在拐角處鐵芯中的磁感線受到擠壓而在局部變大，從細節處印證了軟件計算結果的正確性.圖3中圍繞線圈的黑、藍色箭頭分別代表了t=0.05s時刻初、次級線圈中的電流方向，這也可以從楞次定律中得到驗證.在三維模型中可以自由旋轉進行展示計算結果的各個細節，也可以選擇特定的點、線、面讀取對應的磁場的大小及分布，如圖4所示為圖3中立體模型的中截面，各點上的磁感應強度分布用黑色箭頭表示.

圖3

圖4

由于在模型設置時選擇了隨時求解的模塊，軟件仿真結果能以視頻流的形式，展現不同時刻磁場的分布變化、電流的大小及方向的隨時間變化等等，這是“變壓器”教學中極為形象生動的教學素材.

3 結語

本文以“變壓器”教學為例，簡述教學過程中遇到的問題，提出可通過現有的物理仿真軟件進行教學素材的制作，并適當應用到教學過程中去.Comsol Multiphysics作為一個物理學耦合軟件，包含了各類物理學問題的模型仿真，上手具有一定的難度，但所包含的一些應用范例可作為物理教學的案例，供基礎扎實的一線物理教師參考.

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