“仿真物理實驗室”在高三電學實驗復習中的應用

劉東新

(江蘇省溧陽市光華高級中學,江蘇 溧陽 213300)

·現代教育技術·

“仿真物理實驗室”在高三電學實驗復習中的應用

劉東新

(江蘇省溧陽市光華高級中學,江蘇 溧陽 213300)

本文介紹了一個專為物理教學和研究開發的軟件——“仿真物理實驗室”在電學實驗教學中的應用，從模擬實物連線替代、情景再現、化抽象為具體等多角度，展現這個操作簡便的軟件為學生學習物理電學實驗提供的幫助.

仿真物理實驗室;電學實驗;復習

筆者在剛接觸“仿真物理實驗室”軟件時,只在平拋運動、帶電粒子在復合場中的運動等新課教學中運用過,取得了不錯的效果.但是在高三復習中,似乎沉浸于習題的操練而遺忘了這個軟件.由于學校多媒體設備的更新,筆者加強了多媒體的運用,發現仿真物理實驗室其實可以在更大范圍得到應用,因此收益頗多,在此做一個分享.

1 實物連線以及滑動變阻器初始位置的確認

例1：如圖1所示器材為某同學測繪額定電壓為2.5V的小燈泡的I-U特性曲線的實驗器材.

圖1

(1) 根據實驗原理,用筆畫線代替導線,將圖中的實驗電路圖連接完整.

(2) 開關S閉合之前,圖中滑動變阻器的滑片應該置于________(選填“A端”、“B端”或“AB中間”).

圖2

解析:利用仿真實驗室軟件,可以讓學生自己用鼠標在電腦上連線,如圖2所示，完畢后閉合開關,改變滑動變阻器觸頭,通過兩個儀表的示數變化情況就可以判斷連線是否正確.

圖3

第(2)問對學生是個難點,有些學生受到初中學習的影響,以為分壓部分接入的滑動變阻器一開始應該阻值最大,這樣才能保護小燈泡和電表.我們可以讓滑動變阻器置于最左端、最右端兩種情況下顯示電流,并結合兩個儀表的示數,幫助學生理解這個難點.如圖3所示,當滑動變阻器置于最左端時,與分壓部分并聯的滑動變阻器部分阻值最大,而此時通過小燈泡電流實際上最大,因為小燈泡已經發光而且電壓表示數已經滿量程,顯然這樣的放置位置是不對的.而當滑動變阻器置于最右端時,與分壓部分并聯的滑動變阻器阻值為零,而此時小燈泡不發光,電壓表和電流表示數也都是零,符合＂電壓和電流從零開始調節＂這樣的要求,可以看出這個位置才是閉合開關前應該放置的位置.

2 直觀顯示實驗器材選擇的結果

例2：在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中,使用的小燈泡標有“4V 2W”的字樣,其他可供選擇的器材有:

A. 電壓表V1(量程3V,內阻20kΩ)

B. 電壓表V2(量程15V,內阻60kΩ)

C. 電流表A1(量程3A,內阻0.2Ω)

D. 電流表A2(量程0.6A,內阻1Ω)

E. 滑動變阻器R1(0～1000Ω,0.5A)

F. 滑動變阻器R2(0～10Ω,1A)

G. 學生電源E(6V)

H. 開關S及導線若干

(1) 實驗中電壓表應選用________,電流表應選用________,滑動變阻器應選用.

(2) 畫出實驗所用的電路圖；

解析:學生對于電壓表和電流表的選擇沒什么困難.在選擇滑動變阻器時,我們一般是通過理論分析,說明選擇阻值較小的滑動變阻器在滑動過程中電壓表、電流表的示數變化更平緩,更易于操作.但總有些同學對于這個＂更易于操作＂不理解,也不明白這個讀數怎么就更平緩了？

圖4

通過“仿真物理實驗室”,在其他儀器不變的情況下,只改變滑動變阻器的阻值,在滑動觸頭滑過前面90%的位置時,我們可以看到圖4中電流表和電壓表示數變化很小,再往后滑時,兩個電表的示數變化非常大.也就是說采用這個滑動變阻器,那么兩個電表的示數變化主要集中在最后的10%那段,這對采集數據帶來了很大的麻煩,因為稍微滑動一點，兩個電表的示數變化幅度很大.而在圖5中，在滑動觸頭逐漸滑動時,兩個儀表的示數也隨之緩緩變化,我們可以看到:在滑動變阻器滑過60%時,兩個儀表的讀數已經非常大了,尤其是電壓表都已超過三分之二量程.這樣我們就可以滑動一段讀一組數據,從而采集多組數據,為后面的作圖提供方便.

圖5

3 利用數據說明電流表內接法、外接法的誤差

如圖6所示,采用的是電流表外接法,為說明“仿真物理實驗室”的高度模擬性,以下兩幅圖的連線就隨性一點,使其更符合我們日常畫圖習慣.先從理論進行分析,可以得出小燈泡的測量值要比真實值偏小.那么實際上是這樣嗎？我們可以應用“仿真物理實驗室”,顯示仿真實驗中小燈泡的參數,并算出它的阻值為8.33Ω,這是真實值.同時我們還可以從電流表顯示的0.31A和電壓表顯示的2.50V,算出它的阻值為8.06Ω,這是測量值.相比之下,可以發現采用外接法測出的阻值的確要小于真實值.

圖6

如果采用電流表內接法呢？如圖7所示,采用電流表內接法后,略微調整滑動變阻器的位置,以保證小燈泡的阻值還是剛才的8.33Ω不變.此時電流表示數為0.30A,電壓表示數為2.80V,算出它的阻值為9.33Ω.這是采用電流表內接法的測量值，此時測量值大于真實值,通過仿真實驗,驗證了理論分析得出的結論,并對學生進一步理解電流表內接、外接形成的誤差起到了加深印象的作用.

圖7

這組實驗得到的數據,不僅僅顯示了內接法、外接法的誤差,還能非常直觀地顯示哪種接法的誤差更大一些.電流表外接法測得的數據是8.06Ω,電流表內接法測得的數據是9.33Ω,相比于真實值8.33Ω,很明顯電流表內接法的誤差要大得多.因此本實驗測量電路部分應該采用電流表外接法.在講解這個知識點時,我們正好借此解決以下問題:測量電路部分究竟是采用電流表內接還是外接？依據是什么？

“仿真物理實驗室”的應用還不止于此,對于電路故障分析、電表的改裝等等也都有很好的應用.“仿真物理實驗室”能夠在教學中很好的展示“理想化模型”，電學實驗在很多情況下會遇到電阻發熱、電流過大導致儀表損壞，還有地磁場等因素的干擾,導致電表數據產生誤差.而且高三教學更偏重于理論分析,“仿真物理實驗室”既能夠理想化地展示電學實驗結果,又能夠生動地說明現象,增加習題教學的情境感.

[1] 廖伯琴.物理教學研究與案例[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 劉東新.帶電粒子在復合場中運動問題的引申思考[J].物理之友,2012,(4).