計算機仿真技術在中學物理自感現象中的應用

鞏金秋

摘 要：近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，信息科技水平快速提高，將計算機技術對現階段我國高校實驗中心建設的設計理念進行結合，以解決中學物理實驗教學過程中存在的瓶頸問題為目標，提出將虛擬仿真實驗理念與技術應用到中學物理實驗教學的思路，以期為中學物理有關實驗的順利開設提供參考。

關鍵詞：計算機仿真技術;中學物理;自感現象;應用

引言

隨著信息技術的不斷進步，物理實驗不再局限于實驗室，通過計算機仿真實驗越來越受到教師和學生的喜愛，因為計算機仿真實驗具有可視性好、簡單快捷的優點，而且不受時間和空間的限制。把仿真軟件應用到中學物理實驗中既是對傳統物理實驗教學的一種補充，又是一種新的嘗試和改革。

1計算機仿真技術在中學物理中應用的優勢

1.1投資較少，相對靈活

與實物實驗相比，仿真實驗的成本及后續所需資金都較少，且占用場地較小，相對靈活，實驗課的安排與調整比較方便。

1.2安全性高，不受外部因素的影響

在長期使用后由于元器件出現磨損會造成實物儀器測量誤差偏大，準確度及精確度會下降，校準和維修的次數也將增加，而且容易受到如溫度、濕度、氣壓、光照、等外部因素的影響，使得儀器的穩定性降低。而仿真實驗不會受到以上因素的影響，實驗會在程序設計者預先設定好的理想狀況下進行，從而獲得良好的實驗效果，能夠避免因為失誤或者操作不當造成實驗失敗給學生帶來的挫敗感。此外，用實物進行實驗不但會消耗實驗耗材，還將會產生實驗垃圾，而仿真實驗不會遇到這些問題。

1.3能夠克服時間和空間的制約

如今互聯網技術的發展使網絡教學得到了可靠的技術保障，學生能夠通過網絡登錄虛擬實驗室隨時隨地進行仿真實驗的操作，使傳統實驗室受時間和空間制約的不利條件得以克服。教師可通過利用傳統實驗教學模式的優勢，結合虛擬實驗室和遠程網絡教學從而形成多維的物理實驗立體教學的新模式。

1.4能夠提高學生的學習興趣

因為物理仿真實驗采用最先進的計算機軟件開發技術，實驗環境自然逼真、形象直觀、內容豐富，有利于提高學生的學習興趣。

2計算機仿真自感現象的意義

自感現象普通高中教科書物理選擇性必修課，是電磁感應章的最后一節，是前面楞次定律最具代表的例子。學習該節知識，不僅能夠讓學生了解楞次定律與生活的聯系，還能為后面學習電感元件在交變電流中作用打下良好的基礎。在學習自感現象的過程中，學生能觀察到課本演示實驗中電燈泡的發光情況，但他們很難說清燈泡發光亮度變化的原因，只能用比較抽象的楞次定律來解釋這一現象。而且自感現象有時候并不明顯，很多同學也不了解自感現象。借助計算機仿真軟件來實現電路中電流的可視化，可以讓學生看到電流在電路中的變化情況，從而直觀認識自感線圈對電路的影響。

3演示自感現象的實驗設計

3.1實物演示自感現象

自感現象指一個線圈中的電流發生變化時，會在線圈中產生感應電動勢。下面先通過實物演示通電和斷電的自感現象，再應用計算機仿真軟件對兩個電路進行仿真，觀察電路中電流的變化規律。

（1）通電自感現象演示

如圖1所示，兩個燈泡A1和A2的規格相同，A1與線圈L串聯后接到電源上，A2與可調電阻R串聯后接到電源上。先閉合開關S，再調節電阻R，使兩個燈泡的亮度相同，再調節可調電阻，使它們都正常發光，然后斷開開關S。重新接通電路，觀察開關閉合時兩個燈泡的發光情況。在實驗室中按照電路圖1連接好實物圖，當開關S閉合的瞬間，會觀察到小燈泡A1先發光，而A2緩慢變亮。在上面的演示中，當閉合開關的瞬間，電流從無到有，線圈L中產生感應電動勢。根據楞次定律，感應電動勢會阻礙電流增加，所以燈泡A1會逐漸亮起來。

（2）斷電自感現象演示

按課本上的電路圖連接好電路，然后關閉開關，使燈泡正常發光，然后再斷開開關。在演示此實驗時一定要提醒學生觀察當斷開開關的一瞬間，燈泡的發光情況。在實驗室中按照電路圖連接好實物圖，首先閉合開關S，讓小燈泡正常發光，然后再斷開開關，斷開過程中要注意觀察小燈泡的發光情況。當在燈泡發光穩定之后斷開開關的一瞬間，觀察到小燈泡會閃一下再慢慢變暗，與生活中觀察到的現象有所不同。在開關斷開的一瞬間，根據楞次定律，自感線圈會產生自感電動勢來阻礙導線中的電流減小。

3.2計算機仿真軟件演示自感現象

為了讓學生更加直觀地了解開關閉合和斷開時電路中的自感現象，借助計算機仿真軟件進行仿真。因為借助計算機軟件能觀察電流的實時變化情況，所以如果引入計算機軟件，能讓學生更直觀地了解自感現象產生的原理。

（1）計算機仿真軟件輔助演示通電自感現象

本文用計算機工具里的Simulink對圖1所示的電路進行仿真，具體方法如下。

①搭建模塊

首先，打開計算機軟件中的Simulink，新建一個窗口，然后根據圖1選擇相應的模塊，點擊SimPowerSysterms從中找到電源模塊，把它拖動到新建的界面中，然后再設置電壓值。電壓值與實物實驗的電壓一樣，為10V。其次，在Measurements里找到電流表CurrentMeasurement，并Elements里找到ParallelRLCBranch模塊。再次，在Simulink-Sinks中找到開關模塊Signalrouting，把它拖動到界面中。最后，在Simulink-Sinks中找到顯示模塊Scope，雙擊插入新建界面中。用小電阻A1、A2代替小燈泡，將小電阻的阻值設置成與小燈泡一樣的阻值，為10Ω。

②進行連接

把上面的模塊按照對應的電路圖進行連接，連接好的圖如圖1所示。

③運行仿真

點擊開始運行按鈕Simulation，等待幾秒鐘，在示波器Scope框中就能看到結果。電流表1的測量結果如圖2所示。

通過把計算機仿真軟件引入演示自感現象的實驗中，可以清晰地看見電路中電流的變化情況。圖2呈現的是不含自感線圈的電路，當開始仿真運行時它的電流先變大后緩慢減小，之后達到穩定狀態。同樣，對于電流表2，它在含有自感線圈的電路中，當開始仿真運行時它的電流先緩慢變大，然后達到穩定狀態，正好驗證了楞次定律。

（2）計算機仿真軟件輔助演示斷電自感現象

具體流程與前面利用計算機仿真軟件輔助演示通電自感現象的流程一樣。通過把計算機仿真軟件引入演示自感現象的實驗中，可以清晰地看見電路中電流的變化情況：對于不含自感線圈的電路，當開關處于閉合狀態時，在斷開開關的一瞬間，電流方向會發生改變，隨后電流緩慢減小，之后減小為0;對于含有自感線圈的電路，當斷開開關的一瞬間，流過它的電流快速減小，之后變為0，也驗證了楞次定律。

結束語

本文以演示自感現象為例，通過實物演示了自感現象，還引入仿真軟件來仿真自感現象，豐富了實驗教學手段，能夠讓學生更好地理解自感現象。把計算機仿真軟件應用到物理教學中，雖然能夠激發學生的學習興趣，但是也存在一些不足之處，例如由于過度依賴虛擬實驗儀器，不利于學生實際動手能力的提高。因此，教師要將仿真實驗和實物實驗結合起來，互為補充。

參考文獻

[1]朱麗镕，羊波.仿真實驗在中學物理實驗教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2013（15）：129-131.

[2]王衛國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015，34（5）：214-219.

[3]葉妙璇.信息技術與初中物理學科教學深度融合的思考與實踐[J].中學理科園地，2021，17（04）：54-56.