物理實(shí)驗(yàn)中的模擬法

劉麗榮

(河北省阜城縣崔廟鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)，河北 阜城 053700)

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物理實(shí)驗(yàn)中的模擬法

劉麗榮

(河北省阜城縣崔廟鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué)，河北 阜城 053700)

摘要：模擬法作為科學(xué)研究的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益受到重視，文章介紹了對(duì)象模擬、物理相似模擬、過程模擬和模擬放大等幾種模擬方法。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；模擬法；對(duì)象模擬；相似模擬；過程模擬；模擬放大

物理實(shí)驗(yàn)中的模擬法，根據(jù)其特點(diǎn)及主要功能，并結(jié)合本人教學(xué)實(shí)踐，分為以下四類。

1對(duì)象模擬

對(duì)象模擬的設(shè)計(jì)思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實(shí)體的主要矛盾和本質(zhì)特征，摒棄次要的非本質(zhì)因素，使研究對(duì)象從客觀實(shí)體中直接抽象出來。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、彈簧振子、點(diǎn)電荷、純電阻、理想變壓器等理想模型，以及天體運(yùn)動(dòng)模型，微觀結(jié)構(gòu)等幾何相似模型。在研究二極管的單向?qū)щ娦詴r(shí)，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用對(duì)象模擬法，用自行車氣門和進(jìn)水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對(duì)“單向性”的認(rèn)識(shí)，而且激發(fā)了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍(lán)球(或地球儀)來模擬地球自轉(zhuǎn)，然后將紅墨水從上往下滴落在轉(zhuǎn)動(dòng)的“地球”表面。此時(shí)即可明顯看到水痕西邊呈擴(kuò)散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現(xiàn)象。

2物理相似模擬

在科學(xué)研究和工程技術(shù)的許多領(lǐng)域中，人們常常希望利用模擬試驗(yàn)來代替對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的研究，以便使我們可能在一定程度上預(yù)言某些在目前尚無法達(dá)到的條件下出現(xiàn)的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運(yùn)動(dòng)，把設(shè)計(jì)好的收音機(jī)縮小成模型放在風(fēng)洞中試驗(yàn)其特性等。其特點(diǎn)即模擬與原型遵循同樣的物理規(guī)律，故稱為物理相似模擬。

巷理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“失重和超重模擬實(shí)驗(yàn)”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場(chǎng)中的平衡進(jìn)行“密立根油滴實(shí)驗(yàn)”的模擬，以及十分壯觀的“可樂瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。

3過程模擬

把具體物理過程純粹化、理想化，并根據(jù)其本質(zhì)特征而設(shè)計(jì)的一種模擬叫過程模擬。其特點(diǎn)是過程簡化，易于控制。

氣體壓強(qiáng)的分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子對(duì)器壁連續(xù)碰撞的過程，如果用豆(或沙)落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現(xiàn)象來模擬，就顯得直觀生動(dòng)了。布朗運(yùn)動(dòng)的模擬，裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模擬的成功例子。

電子技術(shù)中半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，電子運(yùn)動(dòng)易理解，空穴導(dǎo)電則抽象，課堂教學(xué)中如用“空位置”的運(yùn)動(dòng)來作一現(xiàn)場(chǎng)過程模擬，無疑會(huì)使學(xué)生茅塞頓開。分析曲線運(yùn)動(dòng)的思想方法——運(yùn)動(dòng)的分解和合成是個(gè)難點(diǎn)，可以平拋運(yùn)動(dòng)為突破口，在演示有關(guān)實(shí)驗(yàn)后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走(模擬水平勻速直線運(yùn)動(dòng))邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運(yùn)動(dòng)，既簡單明了，又便于分析。理解機(jī)械波的形成過程是本章教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，運(yùn)用模擬器材，以紐扣狀的物體來表示振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，通過搖轉(zhuǎn)，使質(zhì)點(diǎn)繞平衡位置上下振動(dòng)，而整體波形向外傳遞，邊演示邊分析，效果很好。

熱學(xué)中的統(tǒng)計(jì)方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學(xué)時(shí)間的限制，怎樣從個(gè)別事件的無規(guī)律過渡到大量事件的有規(guī)律，成了模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在教學(xué)中采用全同等可能過程，在不同時(shí)刻的空間比較可以等效變換成同一時(shí)刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學(xué)同時(shí)擲幣若干次，然后統(tǒng)計(jì)比較下列情況“國徽”朝上的次數(shù)：(1)某同學(xué)；(2)某小組同學(xué)；(3)全班同學(xué)。從而使學(xué)生既突破了難點(diǎn)又受到一次生動(dòng)的方法論教育。

4模擬放大

在物理概念和規(guī)律教學(xué)中，學(xué)生往往對(duì)那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的規(guī)律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大正是采用空間放大和時(shí)間放大的方式，抓住本質(zhì)特征，展現(xiàn)其生動(dòng)直觀形象，從而促進(jìn)思維順利進(jìn)行。

液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系學(xué)生比較陌生，可以通過模擬放大的方法加以演示，讓學(xué)生加深印象。具體方法是：把灌足有色水的氣球跟各部分粗細(xì)不同，且在粗細(xì)不同的地方有豎直小側(cè)管的水平玻璃管連接，讓豎直小側(cè)管管口向上。由于氣球膜的收縮力對(duì)水產(chǎn)生的水壓使氣球內(nèi)的水通過玻璃管流出，這時(shí)我們看到，水在各個(gè)側(cè)管中上升的高度不同，接玻璃管粗處側(cè)管的水面升得較高，接玻璃管細(xì)處側(cè)管的水面升得較低，這說明流動(dòng)液體的壓強(qiáng)在管道細(xì)的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道細(xì)的地方液體流速大，管道粗的地方液體流速小，故實(shí)驗(yàn)表明：液體流速大處壓強(qiáng)小，液體的流速小處壓強(qiáng)大。

如果我們用手?jǐn)D壓氣球，這時(shí)看到玻璃管中水的流速加大，同時(shí)所有小側(cè)管中的水面下降；松手停止擠壓氣球，可看到玻璃管中水的流速變小，同時(shí)所有小側(cè)管中的水面上升。用這個(gè)方法，我們可以演示，液體流速大時(shí)壓強(qiáng)小，流速小時(shí)壓強(qiáng)大。

液體表面張力實(shí)驗(yàn)中的“水面浮針”，學(xué)生感到新奇，但在分析受力時(shí)往往錯(cuò)誤認(rèn)為表面張力與重力平衡，經(jīng)指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒有作用在針上。究其原因是學(xué)生在形成概念過程中缺乏直觀材料。為此，用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒有作用在針(或棒)上，作用在針上的是因液體表面張力而產(chǎn)生的液面對(duì)針的支持力。通過令人信服的實(shí)驗(yàn)還使學(xué)生進(jìn)一步明確：表面張力的作用是保持液面不分裂。

力的分解，關(guān)鍵是根據(jù)力產(chǎn)生的效果來確定分力的方向。其中三角支架是典型的問題，在教學(xué)中教師由兩個(gè)同學(xué)配合，一個(gè)同學(xué)用手撐著腰，另一個(gè)同學(xué)在手的肘部用力豎直往下拉，讓他感受力的作用效果。在講摩擦力的方向時(shí)，用長毛板刷來模擬放大物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，一目了然。

綜上所述，模擬法作為科學(xué)研究中的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益受到人們的重視。這種方法，必將在開拓設(shè)計(jì)思路，激發(fā)學(xué)生興趣，突破教學(xué)難點(diǎn)等方面發(fā)揮其獨(dú)特作用。

中圖分類號(hào):G633

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)02-0232-01