AML軟件在高中物理熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

陳瑞 顏國(guó)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(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，利用AML軟件做模擬仿真實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證理想氣體狀態(tài)方程.實(shí)踐表明，在貧困地區(qū)中學(xué)物理教學(xué)中通過微觀可視化的仿真實(shí)驗(yàn)，能促進(jìn)課堂教學(xué)有效性的提高，加深學(xué)生對(duì)熱學(xué)本質(zhì)的理解，凸顯了微觀層面上仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn).

關(guān)鍵詞：教學(xué)軟件;狀態(tài)參量;理想氣體;仿真實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0036?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

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

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》提出“關(guān)注信息化環(huán)境教學(xué)改革，通過多樣化教學(xué)方式，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)的本質(zhì)，整體認(rèn)識(shí)自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣[1]”.

Gary D（2017年）利用Atoms in motion LLC公司開發(fā)的Atoms in motion軟件進(jìn)行了氣體分子動(dòng)理論、驗(yàn)證理想氣體實(shí)驗(yàn)定律以及絕對(duì)零度的仿真實(shí)驗(yàn)研究[2].在物理教學(xué)中做模擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要設(shè)置參數(shù)就可驗(yàn)證理想氣體狀態(tài)方程，操作過程便捷.其對(duì)高中物理（選修3-3）氣體一章教學(xué)有一定的幫助.Carter S P（2017年）等[3]，報(bào)導(dǎo)了他們利用仿真軟件做模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此突破教學(xué)難點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生完成理想實(shí)驗(yàn).Patterson R W（2017年）等也報(bào)導(dǎo)了他們教育教學(xué)活動(dòng)中的仿真實(shí)驗(yàn)[4].在中學(xué)物理教學(xué)中，模擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外同行的研究熱點(diǎn)，特別是在課堂上用仿真實(shí)驗(yàn)完成傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)無法做到的實(shí)驗(yàn)（如微觀分子原子運(yùn)動(dòng)、核爆炸等）[5].為了能直接看到分子和原子的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)定律，筆者利用AML軟件，應(yīng)用在高中物理熱學(xué)教學(xué)實(shí)踐中較好地解決了文獻(xiàn)[2]、[3]中的局限性和不足（如二維平面失真問題，仿真數(shù)據(jù)處理和相關(guān)圖象表述問題）.

1?AML軟件簡(jiǎn)介

AML軟件是Bitwixt Systems LLC公司推出的一款獨(dú)特的3D iPad仿真軟件，它通過分子動(dòng)力學(xué)（Molecular Dynamics，簡(jiǎn)稱MD）來模擬數(shù)百個(gè)或成千上萬粒子的相互作用[6].MD按照該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來確定位移的變化，追蹤系統(tǒng)中每個(gè)粒子的個(gè)體運(yùn)動(dòng)，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律給出微觀量與宏觀量的定性關(guān)系[7].AML軟件的基本功能包括圖書館、仿真實(shí)驗(yàn)室、數(shù)據(jù)處理模塊等.仿真實(shí)驗(yàn)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(tài)下，改變不同的狀態(tài)參量，定量觀察體積、溫度、壓強(qiáng)、壁面碰撞計(jì)數(shù)器、粒子速度、作用力、動(dòng)能等的變化情況，實(shí)現(xiàn)高精度的高中物理熱學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)（如圖1）.

2?AML軟件在高中物理熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

有效教學(xué)是教師遵循教學(xué)活動(dòng)的客觀規(guī)律，以盡可能少的時(shí)間、精力和物力投入，取得盡可能多的教學(xué)效果，從而實(shí)現(xiàn)特定的教學(xué)目標(biāo)，滿足社會(huì)和個(gè)人的教育價(jià)值需求[8].借助AML軟件突破高中物理熱學(xué)概念、規(guī)律和教學(xué)難點(diǎn)，有利于物理課堂教學(xué)有效性的提高.

2.1?用AML軟件建構(gòu)氣體溫度概念的過程

傳統(tǒng)氣體實(shí)驗(yàn)下無法直接呈現(xiàn)微觀狀態(tài)，學(xué)生很難建立起氣體溫度的微觀意義.利用仿真實(shí)驗(yàn)搭建“微觀橋梁”，打開AML軟件，點(diǎn)擊“仿真實(shí)驗(yàn)室”.初始設(shè)置：模擬體積尺寸26Aο（1Αο=10-10m），在其中添加5個(gè)He核和5個(gè)甲烷分子，使用調(diào)溫器將初始溫度調(diào)為300K，選擇模擬類型為理想氣體并點(diǎn)擊標(biāo)簽選擇粒子速度（m/s），運(yùn)行模擬功能.

可以觀察到：首先粒子總是在一條直線上運(yùn)動(dòng)，甲烷分子在旋轉(zhuǎn);其次只有當(dāng)粒子與其他粒子（或器壁）發(fā)生彈性碰撞時(shí)，粒子的運(yùn)動(dòng)方向才會(huì)發(fā)生改變;最后使用調(diào)溫器來提高和降低溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度增加時(shí)，粒子速度也在增加.

通過微觀可視化的方法建構(gòu)氣體溫度概念的過程，學(xué)生可以直觀地體會(huì)到“溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈”，從而建立分子熱運(yùn)動(dòng)與氣體溫度之間的聯(lián)系.

2.2?用AML軟件為氣體壓強(qiáng)概念形成搭建“引路”

氣體壓強(qiáng)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(shí)間作用在器壁單位面積上的分子數(shù)就越多，氣體的壓強(qiáng)就越大[9].在初中階段學(xué)生已經(jīng)掌握了壓強(qiáng)的宏觀定義，借助AML軟件進(jìn)一步讓學(xué)生領(lǐng)悟到新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，找到它們的共同點(diǎn)，更好地理解各物理量之間的關(guān)聯(lián).

重復(fù)上述初始設(shè)置，為避免粒子間碰撞的影響，只在模擬體積中添加5個(gè)He核，運(yùn)行模擬功能.調(diào)溫器提高或降低溫度，做如下觀察：當(dāng)溫度T增加時(shí)，體積V如何變化，壓強(qiáng)P如何變化，壁面碰撞計(jì)數(shù)器如何變化.可以觀察到：溫度增加時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)速度、壓強(qiáng)都在增加，且壁面碰撞計(jì)數(shù)器變化得更快.因此，通過仿真實(shí)驗(yàn)看到微觀下粒子壁面碰撞與壓強(qiáng)有關(guān)系，新舊知識(shí)由此實(shí)現(xiàn)有意義的順應(yīng)遷移，為氣體壓強(qiáng)概念搭建“引路”.

通過這一仿真模擬，學(xué)生在頭腦中很容易認(rèn)識(shí)壓強(qiáng)從微觀過渡到宏觀的模式，并能很快地分析得出壓強(qiáng)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(shù)目（影響碰壁次數(shù)）這三個(gè)物理量.引導(dǎo)學(xué)生得出粒子與器壁碰撞時(shí)，粒子對(duì)器壁會(huì)施加一個(gè)作用力的結(jié)論.為了作用力可視化，將標(biāo)簽類型更改為作用力，學(xué)生就能觀察到當(dāng)粒子與器壁發(fā)生彈性碰撞時(shí)，作用力數(shù)值不為零（如圖2）.通過模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生直觀地觀察到壓強(qiáng)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(qiáng).

2.3?用AML軟件做理想氣體仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)學(xué)生對(duì)溫度、壓強(qiáng)概念有直觀的視覺體驗(yàn)后就可用AML軟件進(jìn)行驗(yàn)證玻意耳、查理定律的仿真實(shí)驗(yàn).

玻意耳定律：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強(qiáng)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(gè)不同狀態(tài)下的壓強(qiáng)和體積[6].

在AML軟件中可實(shí)現(xiàn)直接獲取數(shù)據(jù)、繪制圖象從而達(dá)到驗(yàn)證玻意耳定律的目的.初始設(shè)置：模擬體積尺寸26Αο，在其中添加5個(gè)He核和5個(gè)cl分子，使用調(diào)溫器將初始溫度調(diào)為300K，選擇其模擬類型為理想氣體.

運(yùn)行模擬功能，此時(shí)初始體積為17580Α3ο=26Αο×26Αο×26Αο.點(diǎn)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(diǎn)擊“描點(diǎn)”.圖象中出現(xiàn)的白點(diǎn)代表當(dāng)前狀態(tài)下的體積V和壓強(qiáng)P，通過調(diào)節(jié)體積V的大小改變壓強(qiáng)P的大小，每調(diào)節(jié)一次就描一次點(diǎn).

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

查理定律：一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強(qiáng)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(gè)不同狀態(tài)下的壓強(qiáng)和溫度[6].

重復(fù)完成初始設(shè)置，運(yùn)行模擬功能，此時(shí)初始溫度為300K.在右下角的圖表類型中選擇“P VS T”，點(diǎn)擊“描點(diǎn)”.圖象中出現(xiàn)的白點(diǎn)代表當(dāng)前狀態(tài)下的溫度T和壓強(qiáng)P，調(diào)節(jié)溫度T的大小改變壓強(qiáng)P的大小，每調(diào)節(jié)一次就可以描一次點(diǎn).

該模擬實(shí)驗(yàn)顯示溫度T改變時(shí)，體積V總是為17580Α3ο（等容過程）.把圖4甲中的白點(diǎn)用平滑的曲線相連，可驗(yàn)證在體積不變的情況下，壓強(qiáng)P與溫度T成正比.把圖4乙坐標(biāo)原點(diǎn)表示為“氣體壓強(qiáng)P為零時(shí)其溫度T為零”.可以證明，當(dāng)壓強(qiáng)不是太大、溫度不是太低時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)的溫度就是絕對(duì)零度.

在中學(xué)物理教學(xué)中不僅要教給學(xué)生基本概念和規(guī)律，更重要的是要教給學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)的研究方法[10].在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法探究物理問題，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)有效地解決物理問題.

3?結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)，可以節(jié)省大量板書時(shí)間.使用多媒體教學(xué)可以節(jié)省課堂教學(xué)時(shí)間，加大教學(xué)信息量，提高課堂教學(xué)效率[11].AML軟件在熱學(xué)教學(xué)中表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)點(diǎn)，它是基于現(xiàn)有的教學(xué)規(guī)律和原理開發(fā)設(shè)計(jì)，把生活中的物理現(xiàn)象理想化和模型化.在教學(xué)實(shí)踐中將仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有效地整合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，能很好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求.特別是在邊疆少數(shù)民族地區(qū)和貧困地區(qū)，由于演示實(shí)驗(yàn)教具的缺失，應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)突破教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)，拓展學(xué)生視野有重要作用.

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（收稿日期：2019-07-05）