AML軟件在高中物理熱學教學中的應用

陳瑞 顏國英 董瑞彩 鄭原琛 張雄

摘?要：本文介紹了Atomsmith molecule Lab（AML）軟件在高中物理熱學教學中的應用，利用AML軟件做模擬仿真實驗，獲取實驗數據并驗證理想氣體狀態方程.實踐表明，在貧困地區中學物理教學中通過微觀可視化的仿真實驗，能促進課堂教學有效性的提高，加深學生對熱學本質的理解，凸顯了微觀層面上仿真實驗的優點.

關鍵詞：教學軟件;狀態參量;理想氣體;仿真實驗

文章編號：1008-4134（2019）21-0036?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：陳瑞（1995-），女，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學.

通訊作者：張雄（1956-），男，云南昆明人，博士，教授，博士生導師，研究方向：物理學科教學、天體物理.

《普通高中物理課程標準（2017版）》提出“關注信息化環境教學改革，通過多樣化教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣[1]”.

Gary D（2017年）利用Atoms in motion LLC公司開發的Atoms in motion軟件進行了氣體分子動理論、驗證理想氣體實驗定律以及絕對零度的仿真實驗研究[2].在物理教學中做模擬仿真實驗時，只要設置參數就可驗證理想氣體狀態方程，操作過程便捷.其對高中物理（選修3-3）氣體一章教學有一定的幫助.Carter S P（2017年）等[3]，報導了他們利用仿真軟件做模擬實驗教學，以此突破教學難點，引導學生完成理想實驗.Patterson R W（2017年）等也報導了他們教育教學活動中的仿真實驗[4].在中學物理教學中，模擬仿真實驗已經成為了國內外同行的研究熱點，特別是在課堂上用仿真實驗完成傳統演示實驗無法做到的實驗（如微觀分子原子運動、核爆炸等）[5].為了能直接看到分子和原子的運動情況，實現可控性和定量分析的效果，更方便形象地研究理想氣體的實驗定律，筆者利用AML軟件，應用在高中物理熱學教學實踐中較好地解決了文獻[2]、[3]中的局限性和不足（如二維平面失真問題，仿真數據處理和相關圖象表述問題）.

1?AML軟件簡介

AML軟件是Bitwixt Systems LLC公司推出的一款獨特的3D iPad仿真軟件，它通過分子動力學（Molecular Dynamics，簡稱MD）來模擬數百個或成千上萬粒子的相互作用[6].MD按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位移的變化，追蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律給出微觀量與宏觀量的定性關系[7].AML軟件的基本功能包括圖書館、仿真實驗室、數據處理模塊等.仿真實驗室能夠在模擬體積中添加不同的粒子，通過在理想或非理想氣體狀態下，改變不同的狀態參量，定量觀察體積、溫度、壓強、壁面碰撞計數器、粒子速度、作用力、動能等的變化情況，實現高精度的高中物理熱學仿真實驗（如圖1）.

2?AML軟件在高中物理熱學教學中的應用

有效教學是教師遵循教學活動的客觀規律，以盡可能少的時間、精力和物力投入，取得盡可能多的教學效果，從而實現特定的教學目標，滿足社會和個人的教育價值需求[8].借助AML軟件突破高中物理熱學概念、規律和教學難點，有利于物理課堂教學有效性的提高.

2.1?用AML軟件建構氣體溫度概念的過程

傳統氣體實驗下無法直接呈現微觀狀態，學生很難建立起氣體溫度的微觀意義.利用仿真實驗搭建“微觀橋梁”，打開AML軟件，點擊“仿真實驗室”.初始設置：模擬體積尺寸26Aο（1Αο=10-10m），在其中添加5個He核和5個甲烷分子，使用調溫器將初始溫度調為300K，選擇模擬類型為理想氣體并點擊標簽選擇粒子速度（m/s），運行模擬功能.

可以觀察到：首先粒子總是在一條直線上運動，甲烷分子在旋轉;其次只有當粒子與其他粒子（或器壁）發生彈性碰撞時，粒子的運動方向才會發生改變;最后使用調溫器來提高和降低溫度，發現當溫度增加時，粒子速度也在增加.

通過微觀可視化的方法建構氣體溫度概念的過程，學生可以直觀地體會到“溫度越高，分子的熱運動越劇烈”，從而建立分子熱運動與氣體溫度之間的聯系.

2.2?用AML軟件為氣體壓強概念形成搭建“引路”

氣體壓強是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力.從微觀角度看，溫度越高，分子撞擊器壁的平均速度就越大，氣體分子越密集，單位時間作用在器壁單位面積上的分子數就越多，氣體的壓強就越大[9].在初中階段學生已經掌握了壓強的宏觀定義，借助AML軟件進一步讓學生領悟到新舊知識之間的聯系，找到它們的共同點，更好地理解各物理量之間的關聯.

重復上述初始設置，為避免粒子間碰撞的影響，只在模擬體積中添加5個He核，運行模擬功能.調溫器提高或降低溫度，做如下觀察：當溫度T增加時，體積V如何變化，壓強P如何變化，壁面碰撞計數器如何變化.可以觀察到：溫度增加時，粒子運動速度、壓強都在增加，且壁面碰撞計數器變化得更快.因此，通過仿真實驗看到微觀下粒子壁面碰撞與壓強有關系，新舊知識由此實現有意義的順應遷移，為氣體壓強概念搭建“引路”.

通過這一仿真模擬，學生在頭腦中很容易認識壓強從微觀過渡到宏觀的模式，并能很快地分析得出壓強的變化是如何依賴于溫度（影響分子速度）、體積（影響壁間距離）、分子數目（影響碰壁次數）這三個物理量.引導學生得出粒子與器壁碰撞時，粒子對器壁會施加一個作用力的結論.為了作用力可視化，將標簽類型更改為作用力，學生就能觀察到當粒子與器壁發生彈性碰撞時，作用力數值不為零（如圖2）.通過模擬實驗，學生直觀地觀察到壓強是物體單位面積所受的壓力，分子與器壁多次碰撞的作用力也就是器壁受到的壓力，那么分配到單位面積上的壓力就是氣體壓強.

2.3?用AML軟件做理想氣體仿真實驗

當學生對溫度、壓強概念有直觀的視覺體驗后就可用AML軟件進行驗證玻意耳、查理定律的仿真實驗.

玻意耳定律：一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強P與體積V成反比，即P∝1V.公式為

其中， P1、V1和P2、V2分別表示氣體在1、2兩個不同狀態下的壓強和體積[6].

在AML軟件中可實現直接獲取數據、繪制圖象從而達到驗證玻意耳定律的目的.初始設置：模擬體積尺寸26Αο，在其中添加5個He核和5個cl分子，使用調溫器將初始溫度調為300K，選擇其模擬類型為理想氣體.

運行模擬功能，此時初始體積為17580Α3ο=26Αο×26Αο×26Αο.點擊“打開氣體定律圖表”，在右下角的圖表類型中選擇“P VS V”，點擊“描點”.圖象中出現的白點代表當前狀態下的體積V和壓強P，通過調節體積V的大小改變壓強P的大小，每調節一次就描一次點.

該模擬實驗顯示體積V改變時，溫度T總是為300K（等溫過程）.把圖3甲中的白點用平滑的曲線相連，可驗證在溫度不變的情況下，壓強P與體積V成反比.

查理定律：一定質量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強P與溫度T成正比，即P∝T，公式為

其中P1、T1和P2、T2分別表示氣體在1、2兩個不同狀態下的壓強和溫度[6].

重復完成初始設置，運行模擬功能，此時初始溫度為300K.在右下角的圖表類型中選擇“P VS T”，點擊“描點”.圖象中出現的白點代表當前狀態下的溫度T和壓強P，調節溫度T的大小改變壓強P的大小，每調節一次就可以描一次點.

該模擬實驗顯示溫度T改變時，體積V總是為17580Α3ο（等容過程）.把圖4甲中的白點用平滑的曲線相連，可驗證在體積不變的情況下，壓強P與溫度T成正比.把圖4乙坐標原點表示為“氣體壓強P為零時其溫度T為零”.可以證明，當壓強不是太大、溫度不是太低時，坐標原點的溫度就是絕對零度.

在中學物理教學中不僅要教給學生基本概念和規律，更重要的是要教給學生學習物理學的研究方法[10].在實驗過程中，教師要引導學生利用控制變量法探究物理問題，培養學生科學探究能力，使學生學會有效地解決物理問題.

3?結束語

利用計算機多媒體教學，可以節省大量板書時間.使用多媒體教學可以節省課堂教學時間，加大教學信息量，提高課堂教學效率[11].AML軟件在熱學教學中表現出了明顯的優點，它是基于現有的教學規律和原理開發設計，把生活中的物理現象理想化和模型化.在教學實踐中將仿真實驗與真實實驗有效地整合，取長補短，能很好地滿足實驗教學的要求.特別是在邊疆少數民族地區和貧困地區，由于演示實驗教具的缺失，應用仿真實驗對突破教學難點和重點，拓展學生視野有重要作用.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社， 2017：1-3.

[2]Gary D. Discovering the gas laws and understanding the kinetic theory of gases with an iPad app[J].Physics Education， 2017（52）：1-6.

[3]Carter S P， Greenberg K. The impact of computer usage on academic performance：Evidence from a randomized trial at the United States Military Academy[J]. Economics of Education Review， 2017（56）：118-132.

[4]Patterson R W， Patterson R M. Computers and productivity： Evidence from laptop use in the college classroom[J]. Economics of Education Review， 2017，（57）：66-79.

[5]Finkelstein N D， Adams W K. When learning about the real world is better done virtually： A study of substituting computer simulations for laboratory equipment[J]. Physical Review Special Topics-Physics Education Research， 2005（1）：1-8.

[6]https：//www.bitwixt.com/jsite/ipad-apps/atomsmith-molecule-lab-middle-school.

[7]李麗榮.概述經典分子動力學模擬計算[J].熱處理技術與裝備， 2012， 33（1）：53-53.

[8]邢紅軍.高中物理高端備課[M].北京：中國科學技術出版社， 2014：59.

[9]羅春焱.利用“氣體壓強的微觀解釋”分析物理問題[J].物理教師， 2012， 33（2）：66.

[10]喬際平， 邢紅軍.物理教育心理學[M].南寧：廣西教育出版社， 2002：96-97.

[11]鄧永強.以中學物理教學為例論探究性教學模式的應用[J].中學物理， 2015， 33（7）：80-81.

（收稿日期：2019-07-05）