虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究*

劉高福 王平瑞 吳旭普

(貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 貴州 貴陽 550018)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與普及，VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛[1,2]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要通過計(jì)算機(jī)模擬編程系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合在一起，開發(fā)出一套與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)步驟等，學(xué)生可通過模擬軟件對實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行組裝、操作，測出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和完善，二者相輔相成.任何軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用都有其優(yōu)缺點(diǎn)，文章將對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出針對仿真實(shí)驗(yàn)的改善策略，并通過應(yīng)用實(shí)例分析討論.

1 大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)學(xué)習(xí)時(shí)間自由，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)地點(diǎn)、學(xué)習(xí)時(shí)間不限制，學(xué)生可以自由分配時(shí)間.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有可設(shè)計(jì)性，操作方便，實(shí)驗(yàn)方法多樣，能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，注重學(xué)生想象力和創(chuàng)新力的培養(yǎng).學(xué)生也可以利用豐富的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)資源，自己制定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)[3～5].學(xué)生還可以利用空余時(shí)間通過虛擬平臺進(jìn)行在線自主擴(kuò)充學(xué)習(xí)，根據(jù)自己的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新性思考和設(shè)計(jì).

(2)便于師生交流,及時(shí)反饋

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過在線學(xué)習(xí)，課堂上可以實(shí)現(xiàn)“線上”“線下”“O2O”交流學(xué)習(xí)模式.其主要特點(diǎn)是交互性強(qiáng)，操作過程簡單，以自然的方式操作虛擬儀器，并得到虛擬對象的及時(shí)反饋，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程一樣[6].這樣能增強(qiáng)學(xué)生的現(xiàn)實(shí)感，使他們有更大的興趣去獲取知識.通過實(shí)驗(yàn)過程師生在線互動及反饋，探索知識技能的掌握和運(yùn)用.通過仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“課前——課中——課后”一體化學(xué)習(xí)，如課前學(xué)生可利用仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資源，查找相關(guān)資料，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等，進(jìn)行課前預(yù)習(xí)；課中，教師可提前調(diào)取每個(gè)學(xué)生預(yù)習(xí)的數(shù)據(jù)，分析其預(yù)習(xí)情況，能較好地對學(xué)生進(jìn)行差異化教學(xué)；課后，教師可以根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)情況對其進(jìn)行綜合評價(jià)和分析，利用平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于教師利用數(shù)據(jù)撰寫教學(xué)反思.

(3)實(shí)驗(yàn)操作安全，節(jié)約資源

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是在虛擬環(huán)境下進(jìn)行的，學(xué)生不會因?yàn)椴僮魇д`而傷害到身體.例如利用水銀測大氣壓的仿真實(shí)驗(yàn)，用的是虛擬水銀，實(shí)驗(yàn)不會對人體和環(huán)境造成污染.特別是利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)做三相電動機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生不會因?yàn)椴僮魇д`而觸電.采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也不會因?yàn)椴僮麇e誤而破壞實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器等操作對象.例如使用物理天平測量物體質(zhì)量時(shí)，不會因?yàn)閷W(xué)生操作不當(dāng)，而損壞左右兩邊和中間的刀口或摔壞儀器.目前部分虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還具備“報(bào)警功能”，如以顏色、聲音、光或文字等形式提醒學(xué)生操作中存在的問題，讓學(xué)生及時(shí)糾正錯誤.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芷鸬奖Ｗo(hù)人身安全、減少環(huán)境污染、節(jié)約原材料、不會造成實(shí)驗(yàn)儀器和儀表設(shè)備的損壞.

(4)實(shí)驗(yàn)儀器逼真，立體感強(qiáng)

傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)器材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，是教師通過展示實(shí)物圖和語言描述進(jìn)行講解和說明.這需要學(xué)生進(jìn)行合理的空間想象和構(gòu)造，并在腦海中形成完整的三維立體實(shí)物圖，其增加了學(xué)生外在認(rèn)知負(fù)荷和判斷的準(zhǔn)確性.對于部分空間立體感比較弱的學(xué)生，難以對實(shí)物圖進(jìn)行有效的推斷和構(gòu)造[1].利用虛擬仿真軟件可以把實(shí)驗(yàn)儀器三維立體模型由內(nèi)向外分層次呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)需要進(jìn)行多個(gè)角度觀察和分析.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)的，他們可以對虛擬物體進(jìn)行視覺導(dǎo)航交互功能的設(shè)置，可以平滑地變換觀察視點(diǎn)，如對電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，學(xué)生自由操控虛擬對象，構(gòu)建逼真的三維立體電動機(jī)和發(fā)電機(jī)模型，便于認(rèn)識電動機(jī)和發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而理解其工作原理及兩者的區(qū)別.而且，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生根據(jù)個(gè)人需求、學(xué)習(xí)效果和接收能力等自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，實(shí)驗(yàn)過程人性化，對學(xué)生個(gè)性化思維培養(yǎng)起促進(jìn)作用.

1.2 大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足

(1)學(xué)生缺乏對實(shí)驗(yàn)原理的理解

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新思維，但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生雖能通過虛擬仿真軟件有效地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但缺乏對實(shí)驗(yàn)原理的理解[9].首先，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過操作虛擬實(shí)驗(yàn)儀器來完成實(shí)驗(yàn)過程，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能拖動實(shí)驗(yàn)器材，操作過程簡單，在不理解實(shí)驗(yàn)原理的情況下，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，也能較好地完成實(shí)驗(yàn)過程.這導(dǎo)致部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理不重視或不理解，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不能合理利用.其次，由于虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)的局限性，學(xué)生不能直接接觸實(shí)驗(yàn)儀器，降低了他們對儀器本身和參數(shù)的了解[10]，減弱了學(xué)生親身體驗(yàn)的獲得感.

(2)缺乏對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)方面有其局限性.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是在教師規(guī)范指導(dǎo)和監(jiān)督下以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其目的是減少操作錯誤和不規(guī)范，從而減少對人身的傷害和儀器的損壞.如學(xué)生在做氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)時(shí)，是不允許未開氣前將滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上滑動，否則會損壞氣墊導(dǎo)軌，造成實(shí)驗(yàn)器材不能正常使用.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中，其顯著的特點(diǎn)是能有效避免因?qū)W生操作不規(guī)范而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)器材損壞或產(chǎn)生的危險(xiǎn)，操作錯了可重新做一次，學(xué)生固然會放松警惕，降低對實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性的認(rèn)識，削弱對學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度的培養(yǎng).

(3)缺乏對學(xué)生協(xié)作性和互動性的培養(yǎng)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是每個(gè)學(xué)生面對計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，因操作過程簡單、直觀，不需要學(xué)生之間的協(xié)作交流合作.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中一般通過分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，特別是有些實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生間的協(xié)作才能完成，如研究剛體轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，在鉤碼下落前，需要一個(gè)學(xué)生用手托住鉤碼，另一個(gè)學(xué)生測量鉤碼重心到地面的距離，這有利于學(xué)生協(xié)作精神的培養(yǎng).而利用虛擬仿真軟件操作此實(shí)驗(yàn)只需要一個(gè)學(xué)生拖動鼠標(biāo)就能完成，不需要學(xué)生間的相互協(xié)作和互動，這一定程度上會消弱學(xué)生間團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng).

2 提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的設(shè)計(jì)策略

2.1 增加實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)策略

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，要研究實(shí)驗(yàn)，只有明確實(shí)驗(yàn)原理，才能真正掌握實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵、操作的要點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改造和創(chuàng)新.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)過程中重視學(xué)生操作能力的培養(yǎng)，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解.實(shí)驗(yàn)過程要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行操作，才能更好地理解、改造和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).學(xué)生在操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)原理的講解并要求學(xué)生回答相應(yīng)的問題，根據(jù)他們回答問題的情況進(jìn)行差異化輔導(dǎo).同時(shí)增加系統(tǒng)的控制功能，學(xué)生只有掌握了原理之后，才能繼續(xù)后面的實(shí)驗(yàn)操作，防止部分學(xué)生只為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果而做實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程也可以增加相應(yīng)的問題，讓學(xué)生邊做實(shí)驗(yàn)邊回答問題，從而提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)過程的掌握.

2.2 提高學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)策略

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有易學(xué)、易用、便捷、趣味性等特點(diǎn)，給學(xué)生提供了一個(gè)較好的服務(wù)平臺.現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)以實(shí)驗(yàn)操作為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手動腦能力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程有更深入的思考和討論.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程應(yīng)有課前預(yù)習(xí)、課后思考，并要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，完善或設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、設(shè)計(jì)能力，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在軟件編制過程中應(yīng)考慮學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的正確與錯誤，對操作錯誤應(yīng)及時(shí)給予體現(xiàn)或警示，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程不當(dāng)應(yīng)做出相應(yīng)的警告，并提示此操作不當(dāng)將造成哪些可能的危害和損失.并對實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性有相應(yīng)的考核標(biāo)準(zhǔn)，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度.

2.3 增加交互認(rèn)知的設(shè)計(jì)策略

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和效果，大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)具有良好的交互性.學(xué)生可以對虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)器材自由操作，并通過系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)反饋.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的親身體驗(yàn)和參與，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)操作中收獲知識和樂趣.系統(tǒng)的交互性應(yīng)表現(xiàn)在虛擬環(huán)境的真實(shí)性和環(huán)境對學(xué)生行為反應(yīng)的準(zhǔn)確性.情境認(rèn)知理論認(rèn)為，在真實(shí)的情境下組織教學(xué)，其學(xué)習(xí)內(nèi)容與活動的設(shè)計(jì)要與具體的實(shí)踐相結(jié)合.構(gòu)建主義認(rèn)為充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，增加學(xué)生之間、師生之間的交流合作，主動構(gòu)建獲得知識.從情境認(rèn)知理論與建構(gòu)主義的角度來看，在虛擬和真實(shí)情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐操作技能，有利于知識的構(gòu)建.而虛擬仿真技術(shù)能夠創(chuàng)造出逼真的三維立體學(xué)習(xí)情境和互動環(huán)境，使其成為開發(fā)學(xué)習(xí)情境的有效工具.通過情境認(rèn)知和構(gòu)建，利用仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺，借助多媒體輔助教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺和互動交流協(xié)作學(xué)習(xí)的形成，消除課內(nèi)課外的界線，實(shí)現(xiàn)“線上”“線下”有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知水平和溝通、交流能力.實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)中，可采用雙屏或多屏，讓多個(gè)學(xué)生同時(shí)操作一臺實(shí)驗(yàn)儀器，增加學(xué)生之間的協(xié)作和交流，培養(yǎng)他們的合作能力.同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，應(yīng)增加討論內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生間的互動性.

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用舉例

大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動而設(shè)計(jì)、開發(fā)的教學(xué)平臺，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和完善，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量不足或老舊，實(shí)驗(yàn)開出率過低等問題.引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，除按照培養(yǎng)計(jì)劃或教學(xué)大綱開出的實(shí)驗(yàn)外，還可以提供更多的選修實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和知識需要靈活選擇實(shí)驗(yàn).學(xué)生還可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，組裝實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，從而得出最優(yōu)結(jié)果.通過“實(shí)驗(yàn)——改進(jìn)設(shè)計(jì)——檢驗(yàn)”不斷優(yōu)化的環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)學(xué)生循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)態(tài)度和獨(dú)立思考的設(shè)計(jì)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.下面舉例分析虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.

3.1 長度測量的應(yīng)用分析

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中測量物體長度的常用工具有螺旋測微器、游標(biāo)卡尺、讀數(shù)顯微鏡等，他們的測量范圍、使用方法和測量精度都不同.下面以游標(biāo)卡尺為例，它由主尺和游標(biāo)尺兩部分組成，主尺的精確值是毫米，在主尺上附加一個(gè)有刻度能夠滑動的小尺叫游標(biāo)尺，利用它可以把主尺估讀的數(shù)值準(zhǔn)確地讀出來.根據(jù)游標(biāo)卡尺的精確度不同可分為0.1 mm，0.05 mm，0.02 mm 3種精度的游標(biāo)卡尺.傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺操作如圖1所示，測量物體的直徑需要雙手共同操作，以防止測量物體掉落，測量過程雖讀數(shù)無估讀，但儀器本身和測量過程夾物體的松緊不同，造成測量結(jié)果不同.應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作如圖2所示，測量過程簡單，用鼠標(biāo)將待測物體拖動到相應(yīng)的位置，拖動游標(biāo)尺固定物體，游標(biāo)尺上的刻度可以放大，方便讀數(shù)，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因，多次正確測量的數(shù)據(jù)是一樣的，輸入測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)能自動保存，便于數(shù)據(jù)處理.系統(tǒng)還能根據(jù)默認(rèn)數(shù)據(jù)直接匹配學(xué)生測量的正確與錯誤，便于教師對學(xué)生評價(jià).

圖1 游標(biāo)卡尺實(shí)物操作示意圖

圖2 游標(biāo)卡尺仿真實(shí)驗(yàn)操作

3.2 三線擺測轉(zhuǎn)動慣量的應(yīng)用分析

轉(zhuǎn)動慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動時(shí)慣性大小的量度，通常用J或I表示.在經(jīng)典力學(xué)中，轉(zhuǎn)動慣量的表達(dá)式為

(1)

式中dm是表示微小質(zhì)元，r是微小質(zhì)元到轉(zhuǎn)軸的垂直距離.如圖3所示用三線擺實(shí)驗(yàn)裝置測量圓盤及圓環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量[11].

圖3 三線擺實(shí)物操作圖

三線擺下圓盤的轉(zhuǎn)動慣量的表達(dá)式為

(2)

(3)

則圓環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量為

J=J2-J1

(4)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，其周期用秒表進(jìn)行測量，距離用直尺或卷尺測量，測量結(jié)果與懸線的松緊有關(guān)，多次測量的結(jié)果可能會相差較大.如采用三線擺的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如圖4所示，測定轉(zhuǎn)動周期時(shí)，當(dāng)輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)動次數(shù)，轉(zhuǎn)動過程中系統(tǒng)會自動記錄時(shí)間，距離的測量也不會因?yàn)閼揖€的松緊而影響測量值結(jié)果.測量過程將讀數(shù)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，測量完畢后，輸入相應(yīng)的公式，系統(tǒng)將自動算出測量結(jié)果.

圖4 三線擺虛擬仿真操作

3.3 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用分析

霍爾效應(yīng)的原理是帶電粒子在磁場中運(yùn)動受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并打到金屬板上，在金屬板兩側(cè)上形成電勢差UH.主要用來測量U型線圈中間的磁場大小和分布情況.當(dāng)金屬板兩極板的電勢差UH達(dá)到某一值時(shí)，此時(shí)帶電粒子在磁場和電場的共同作用下，所受的合外力為零，粒子將沿直線運(yùn)動，此時(shí)滿足如下關(guān)系式

(5)

式中d為兩金屬板的間距，v為帶電粒子在磁場中的運(yùn)動速度.

兩金屬板間的電勢差UH的表達(dá)式為

(6)

式中的比例系數(shù)K叫霍爾系數(shù)，由霍爾元件本身決定，是確定的值，I為通過霍爾元件的電流，B為待測的磁場大小，b為金屬板的寬度，此時(shí)B的表達(dá)式為

(7)

傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，其測量霍爾電勢差UH的系統(tǒng)誤差較大，因在工藝制作時(shí)，很難將金屬板上兩電極焊在同一等勢面上，當(dāng)電流流過時(shí)，不加外磁場，在兩電極間也會產(chǎn)生一電勢差U0.如采用霍爾效應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如圖6所示，通過軟件設(shè)置可使兩電極的電勢在同一等勢面上，無外加磁場下，不會產(chǎn)生電勢差U0，且測量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中直接錄入，輸入相應(yīng)的公式，系統(tǒng)將自動算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并能自動保存數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)獲取.

圖5 霍爾效應(yīng)實(shí)物操作圖

圖6 霍爾效應(yīng)虛擬仿真操作

4 小結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，其在教學(xué)過程中有一定的優(yōu)越性，如比傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)更簡捷、方便和直觀，實(shí)驗(yàn)過程不會對儀器造成損壞，能節(jié)省原材料，能避免有些實(shí)驗(yàn)原料對環(huán)境產(chǎn)生的污染.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在使用過程中可以根據(jù)具體要求，對實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行完善，使實(shí)驗(yàn)過程更加合理.同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生不局限于實(shí)驗(yàn)室，可以在圖書館、教室、寢室等地方實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和研究.通過生動的畫面、文字、特技和聲音于一體的獨(dú)特優(yōu)勢，真實(shí)的虛擬環(huán)境，富有吸引力，尤其能動態(tài)表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，讓學(xué)生深入其中，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣有較大的幫助.但目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件在編制方面仍存在一些不足，如缺乏對學(xué)生科學(xué)態(tài)度、協(xié)作能力和溝通能力等的培養(yǎng)，不能實(shí)現(xiàn)對實(shí)物儀器的親身體驗(yàn)感.但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和完善，兩者相輔相成，一些不具備條件完成的實(shí)驗(yàn)也可以利用仿真實(shí)驗(yàn)完成，以幫助學(xué)生對物理知識的理解和掌握.