模擬實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用

朱天鎖

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，在物理教學(xué)中，正確規(guī)范的做好實驗，既可以激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲和濃厚的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生形成物理概念，掌握物理規(guī)律，又可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、分析問題和解決問題的能力以及實驗?zāi)芰?自己通過多年的教學(xué)實踐體會到，作為物理實驗中的一個重要方面的內(nèi)容——模擬實驗，應(yīng)用在物理教學(xué)中，對于彌補真實實驗的不足，克服其局限性，在建立概念，發(fā)現(xiàn)、檢驗和深化物理規(guī)律等方面有重要的作用.近年來，隨著物理實驗儀器設(shè)備的更新，多媒體教學(xué)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，以往教學(xué)中比較抽象、比較復(fù)雜或用通常實驗手段觀察不到的一些物理現(xiàn)象，通過模擬實驗可以生動形象的演示出來，為模擬實驗在物理教學(xué)中開辟了越來越多的新領(lǐng)域，使模擬實驗在物理教學(xué)中顯得越來越重要了.本文就運用模擬實驗的方法，突出重點，突破難點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)能力等方面做一些探討.

一、利用模擬實驗，排除干擾，突出重點

有的天然物理過程，由于不能人為的控制其發(fā)展，也不能排除次要因素的影響，常常被一些表面現(xiàn)象所迷惑得出錯誤結(jié)論.而根據(jù)人們研究的需要，利用模擬實驗，人為的控制實驗條件，排除干擾，突出重點，抓住關(guān)鍵，使問題的研究更加集中，更加典型，這就有利于人們準(zhǔn)確地認(rèn)識和把握所研究的物理現(xiàn)象，進而發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律性，例如有關(guān)落體運動，學(xué)生據(jù)日常所見早已形成重的物體比輕的物體下落的快的錯誤觀念.學(xué)過牛頓第二定律后，雖然從理論上得出了在同一位置上的一切物體不論質(zhì)量大小，它們加速度相同的結(jié)論，但遇到具體問題，往往又回到早已定型的錯誤結(jié)論上去.所以教材上除列舉了許多實例外，還安排了牛頓管的模擬實驗.為了使實驗的效果更加理想，在課堂演示時采取使這個過程逐漸接近理想條件的方法.先打開牛頓管的閥門，讓學(xué)生觀察管內(nèi)羽毛和鐵片運動快慢的差異，然后分幾次逐步抽氣，讓學(xué)生觀察比較隨管內(nèi)氣壓的減小，羽毛和鐵片運動快慢的差異的變化，直到兩者同時到達底端.這樣不僅使學(xué)生掌握了落體運動規(guī)律，而且明確了在這個模擬實驗中，是人為的控制條件，逐步排除空氣的干擾，純化實驗條件，突出重點，使它接近理想化的程度.

二、利用模擬實驗，使微觀現(xiàn)象宏觀化，抽象內(nèi)容具體化

有些物理現(xiàn)象，由于涉及的物體太小，給觀察帶來了很大的困難或根本觀察不到.利用模擬實驗，可以較好的解決這個問題，如講布朗運動時，通常是用花粉或滕黃粉放在顯微鏡下，讓學(xué)生分組觀察，由于顯微鏡觀察范圍的限制，加上學(xué)生對微觀世界缺乏認(rèn)識，老師難于指導(dǎo)，有些學(xué)生根本找不到真正的觀察目標(biāo)，完不成觀察的目的.特別是對布朗運動是反映大量分子無規(guī)則運動的抽象解釋，學(xué)生不易理解.利用布朗運動模擬演示器來模擬布朗運動，借助投影儀進行演示，形象直觀.實驗時轉(zhuǎn)到發(fā)擊機構(gòu)使環(huán)內(nèi)的小鋼珠產(chǎn)生無規(guī)則運動，這些小鋼珠反復(fù)撞擊橡膠小圓面，小圓面也做無規(guī)則運動，這幅圖像就形象的模擬了布朗運動.在這個模擬實驗中學(xué)生不僅看到了懸浮在水中的固體小顆粒的運動，而且對布朗運動的抽象解釋中，涉及到看不見的分子的無規(guī)則運動的情況也“一目了然”.

這類模擬實驗，實際上是形象化的類比，學(xué)生是通過模擬圖像去理解物理問題的.對培養(yǎng)學(xué)生的想象能力、創(chuàng)造能力和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有很大的作用.因此，在學(xué)習(xí)課外活動中，我有意識的安排這類形象的模擬問題，讓學(xué)生仿制或設(shè)計一些模擬教具.如有的同學(xué)利用明膠片制成投影片來模擬飽和汽的情況，兩個動片上用圓點來模擬分子，通過兩個動片向相反方向的運動，在屏幕上顯示出汽分子從液面飛出飛進的運動情況，形象逼真.有的同學(xué)用在兩個明膠片上分別畫出的一組同心圓，演示波的干涉現(xiàn)象，效果明顯.在交流時，表演者十分興奮，為自己取得的成績而感到欣喜;觀察者情緒激動，提高了學(xué)習(xí)物理的興趣和參加課外活動的熱情.

近年來，隨著多媒體技術(shù)的普及和應(yīng)用，利用微機進行模擬實驗已成為一種富有特色的新的教學(xué)形式，學(xué)生在這個特有的環(huán)境下學(xué)習(xí)表現(xiàn)出一種強烈的求知欲望.其實，它的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在教學(xué)中，有許多物理現(xiàn)象和過程不能在通常情況下或從簡單的實驗中獲得，像一些具有危險性或代價昂貴的實驗，通過微機就可以模擬出這些過程或現(xiàn)象.

三、利用模擬實驗，使動態(tài)過程能動能靜，動靜結(jié)合

有些動態(tài)變化中，現(xiàn)象稍縱即逝，利用模擬實驗不僅可以將動態(tài)過程顯示出來，而且可以通過“暫停”將某一瞬時的情況反映出來，大大增強了直觀性.例如，在機械波的形成過程中，媒質(zhì)中的各個質(zhì)點處于不停的震動中，波形不停的向前傳播，容易造成媒質(zhì)中的質(zhì)點隨波向前遷移的錯覺，某一瞬時的情況就更不容易掌握.利用波動演示器模擬橫波和縱波形象，效果很好，它主要是利用一組偏心輪來帶動模擬質(zhì)點進行演示的，它既可以慢動作的模擬波的形成和傳播，也可以反映某一瞬時波的形狀，分析各個質(zhì)點的相對位置等.這就克服了以往利用掛圖只能說明某一瞬時的波形，無法說明波的傳播和質(zhì)點的運動，能靜不能動的缺陷，能動不能靜的不足，以及觀察實際波動過程，無法撲捉某一時刻各個質(zhì)點的情況.而波動演示器的模擬演示，則能動能靜，動靜結(jié)合，同時還可以對整個過程分層再現(xiàn)，為學(xué)生提供了觀察和思考的機會，加深了印象.

利用微機對動態(tài)過程進行模擬，是微機的另一顯著優(yōu)勢，像在平拋運動的教學(xué)中，利用平拋豎落儀進行演示，由于過程非?？?，球又小，學(xué)生看不到兩個小球運動過程中的運動規(guī)律有何聯(lián)系，只能憑兩球落地的撞擊聲，判斷兩球在空中運動的時間大致相等，很難完成教學(xué)要求.如果在這個基礎(chǔ)上，在利用微機進行輔助模擬演示，放慢小球的運動速度，學(xué)生就很容易觀察到兩球運動規(guī)律的聯(lián)系.這樣，將真實實驗和微機模擬有機地結(jié)合起來，會收到事半功倍的教學(xué)效果.