物理實驗中的模擬法

劉亞杰

摘要：模擬法，是通過制作與設(shè)計與原現(xiàn)象、原型以及過程相類似的一種模型，并用制作出的模型來研究原現(xiàn)象、模型、過程的一種手段方法。該種方法，通常應(yīng)用在物理的教學(xué)實驗中，其可以再現(xiàn)轉(zhuǎn)瞬即逝的物理和自然現(xiàn)象，可以將現(xiàn)象無限的進行放大或縮小，也可以對復(fù)雜的現(xiàn)象進行簡化，同時也可以對無法觀察內(nèi)部的系統(tǒng)進行模擬。在物理實驗教學(xué)中，模擬法不僅僅是一種單純的教學(xué)手段，同時也是不可或缺的教學(xué)輔助工具。隨著人類的不斷進步以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬法在人類認識大自然，認識世界中起到了越來越重要的作用。

關(guān)鍵詞：物理實驗 教學(xué)模擬 模擬手段 模擬模型

從物理實驗教學(xué)的角度講，模擬法與類比法有著形式上的相似。其都是在實驗室中將原型或者現(xiàn)象進行設(shè)計相似的模型，通過設(shè)計的模型，來對其原型或現(xiàn)象進行的分析與實驗。在模擬的過程中，要根據(jù)其原型或原現(xiàn)象的本質(zhì)特性，制作出相近似的模型，由此來研究原型，由于其原型與模型之間有著非常相似的特點，固模擬法可以分為兩大類，即物理模型和教學(xué)模型。

一、直觀模擬

由于物理概念的抽象化，學(xué)生單憑字面意思，很難理解其真正的含義，但是如果運用模擬的方法來將抽象的概念進行直觀的表現(xiàn)出來，會讓學(xué)生很容易理解。比如，在講解緩沖裝置的章節(jié)時，我們可以用一根比較細的線，下端懸掛上稍重一點的物體，將該物體提高到一定的高度，然后松手釋放，物體下落到一定的距離，可將細線拉斷，但是如果我們將細線的下端拴一段橡皮筋，再將物體懸掛在橡皮筋下方，然后將該物體提高到相同的高度，松手釋放，結(jié)果細線沒有被拉斷，因為橡皮筋產(chǎn)生了緩沖。在講解汽油機的工作原理時，通常是利用教學(xué)掛圖或汽油機模型進行教學(xué)，學(xué)生往往缺乏感性認識，我們可以模擬汽油機火花塞點火、做功、取一個廢舊小鐵盒，另準備一支煤氣電子點火槍，在鐵盒底側(cè)部開一個小孔，將點火槍頭插入小孔，并四周密閉，不漏氣，在盒內(nèi)倒一些酒精（代替汽油），并在盒底微微加熱，然后用點火槍點火，接著就聽到響聲，盒蓋被向上沖起。在一部透明的暗盒里安裝一個電燈泡作光源，把一根彎曲的細玻璃棒（或有機玻璃棒）插進盒子里，讓棒的一端面向光源，玻璃棒的下端就有明亮的光傳出來，可以此來模擬光導(dǎo)纖維對光的傳導(dǎo)作用。

二、對象模擬

對象模擬，就是在不打破被研究原型的規(guī)律以及自身特性的前提下，將其進行無限放大或無限縮小的模擬方法。對于對象模擬的設(shè)計理念，主要有兩種：第一種，是對其被研究原型進行相關(guān)的解釋以及內(nèi)在特性所建立的模型；第二種，是為了突出被研究原型的主要特性以及本質(zhì)，使其主要的特性更直接的表現(xiàn)出來所進行的模擬方法。比如在研究二極管的單向?qū)щ娦詴r，筆者運用了該模擬方法，用出水的開關(guān)閥門以及打氣筒的氣門來進行模擬其單向性，這樣不僅僅使學(xué)生加深了理解，更拓展了他們的想象空間。

三、物理相似模擬

在眾多的科學(xué)領(lǐng)域中，往往直接去研究實際物體需要花費很大的人力物力財力，如果將其設(shè)計成類似的模型進行研究，將會事半功倍。在實際的研究中，比如用水來代替石油來進行其在某管道中的運動，將音響的模型放在風(fēng)洞中來完成對其特性的測試，這些用模型來代替實物的實驗，其結(jié)果與實際相差分毫，這種以模型來代替原型進行實驗，其模型完全遵循與原型相同的物理規(guī)律，這種方法叫做物理相似模擬。在實際的物理教學(xué)中，物理相似模型的范例比比皆是，風(fēng)洞實驗，失重模型實驗等。

物理課本中對于海市蜃樓的自然現(xiàn)象只是做了簡單介紹，有條件的可以讓學(xué)生觀看視頻錄像，這種方式的教學(xué)根本滿足不了學(xué)生的好奇心，要想讓學(xué)生對該物理現(xiàn)象有更加深入的了解，只能是在實驗室進行模擬實驗，這樣不僅僅可以增加學(xué)生對相關(guān)物理知識的深刻理解，更能引導(dǎo)學(xué)生探索大自然的奧秘，使學(xué)生認知自然，認知世界。首先，我們可以在三面透明的玻璃箱中放入若干白糖而不加攪拌，使糖水造成折射率歲深度而變化，而最大折射率出現(xiàn)在含糖較多的容器底部，以此來模擬大氣折射率隨高度而變化。當(dāng)用氦氖激光光束從側(cè)面射入此溶液時，即可看到光束彎曲現(xiàn)象。然后再作海市蜃樓模擬，使之起到突破時空限制，重視自然奇景之目的。

四、過程模擬

所謂過程模擬，指的是在具體的物理實驗過程中，將其實驗的過程簡單化和理想化，在不影響被研究對象的前提下，根據(jù)簡單和理想化的過程，而設(shè)計出的模型。由于過程模擬的過程簡單，容易掌握。

對于物理教學(xué)中氣體壓強的分子論運動，一般都是以撐著的雨傘上面落得雨滴來講述，如果這種大分子對器壁的碰撞，用豆粒或者細砂放在平衡天平上的任何一端，這種現(xiàn)象來類比分子運動論的觀點，學(xué)生接受起來會更加容易。物理教學(xué)中的對于布朗運動的模擬，拿一根試管，里面放上半管鐵屑，將試管直立和平放，用此方法來模擬鐵棒的吸磁和退磁，這個實驗也是過程模擬的案例。

在物理教學(xué)中的導(dǎo)電機理章節(jié)，雖然電子的運動容易理解，如果加以實際模擬，會更加加深學(xué)生對此機理的理解。對于曲線的運動，分解和合成是重點和難點，在對相關(guān)的實驗進行演示后，教師可以利用手邊的物體，比如粉筆或者油筆，對此進行平拋運動的演示，首先，將手中的物體在身體前上方以勻速的運動進行，到某一個點上再以加速度的方式從上向下運動，以此來模擬平拋運動，對于學(xué)生來講，看到后會更容易理解，對于教師來講，在各個環(huán)節(jié)各個點都可以進行不同的分析。

五、儀器模擬

在一些儀器設(shè)備中，不少的儀器設(shè)備也是通過物理的模擬法所發(fā)明。氣泡室，其發(fā)明者也是在一次酒會上，他注意到，啤酒杯里的氣泡總是從容器的底部往上升，由此而發(fā)明的氣泡室。云室，其發(fā)明者的靈感來源于氣象站，在氣象站，發(fā)明者觀察到，當(dāng)太陽的光線照射到環(huán)繞山頂上的云彩時，其會發(fā)出顏色各異的光線，這一物理現(xiàn)象，引起了發(fā)明者的興趣，發(fā)明者根據(jù)這些現(xiàn)象的特征，在實驗室進行了模擬實驗，最終發(fā)明了云室。

六、模擬放大

在實際的物理教學(xué)中，由于一些物理概念很抽象，導(dǎo)致了學(xué)生在學(xué)習(xí)上困難，不能從概念上理解和觀察其內(nèi)部的狀態(tài)和規(guī)律，抽象的事物往往會阻礙學(xué)生的思維，所以我們可以采用物理的模擬放大法，對物理概念進行模擬放大，根據(jù)其本質(zhì)的特性，從空間和時間上對其進行放大，從而能夠最直觀，最形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

在力的分解章節(jié)教學(xué)中，其要點就是對斜面上物體的重力進行分析，由于物體的重力是抽象，不易理解的概念，對其進行分解更是難上加難，在實際的教學(xué)過程中，筆者用毛球來講物體進行放大，觀察其運動軌跡，用分層次的海綿紙來模擬斜面，其毛球在海綿紙上的運動，以及海綿紙的被壓狀態(tài)，學(xué)生可以觀察的非常清楚。

在多普勒效應(yīng)章節(jié)的教學(xué)中，由于是波源與觀察者之間存在著相對的運動，所以使得觀察者感受到的頻率會有所變化，根據(jù)其特點：兩者的距離越近，觀察者所接受到的頻率就會越大，反之，觀察者所接收到的頻率就會越小。多普勒效應(yīng)僅僅通過教師的講解，學(xué)生未必能真正的理解。如果在規(guī)定的時間內(nèi)，將觀察者身邊經(jīng)過的人數(shù)來模擬放大聲波，學(xué)生親自參與到其中，這不僅僅活躍了課堂氣氛，而且加深了學(xué)生對此概念的理解。

近些年，在物理的教學(xué)過程中，模擬法已經(jīng)發(fā)揮了越來越重要的作用，該方法有其獨特的一面，不僅能夠開拓學(xué)生的視野，活躍課堂氣氛，還能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，最重要的是在物理教學(xué)的重點難點方面發(fā)揮著不可估量的作用。

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