利用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”突破習(xí)題教學(xué)難點(diǎn) ①

王勁存 董芳芳

(1. 江蘇省鹽城市龍岡中學(xué)，江蘇 鹽城 224011；2. 江蘇省鹽城市亭湖高級(jí)中學(xué)，江蘇 鹽城 224000)

1 引言

在高中物理習(xí)題教學(xué)中會(huì)遇到一些運(yùn)動(dòng)過程較為復(fù)雜的題目，尤其是帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動(dòng)的題目。這類題目研究對(duì)象多、運(yùn)動(dòng)過程具有周期性，對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求很高。由于缺少物理過程的形象展示與描述，教師講解時(shí)常感語言蒼白無力，學(xué)生對(duì)這類復(fù)雜的問題就會(huì)見而畏之，敬而遠(yuǎn)之。在進(jìn)行此類習(xí)題講解時(shí)，可以利用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”軟件，按照題目條件構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，呈現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)的物理場景，過程逼真，可幫助學(xué)生理解整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，學(xué)生反饋良好。筆者以2021年江蘇新高考適應(yīng)性考試第16題為例，展示仿真實(shí)驗(yàn)課件的制作過程，供同行參考。

2 原題呈現(xiàn)

跑道式回旋加速器的工作原理如圖1所示。兩個(gè)勻強(qiáng)磁場區(qū)域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行，相距為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向垂直紙面向里。P、Q之間存在勻強(qiáng)加速電場，電場強(qiáng)度為E，方向與磁場邊界垂直。質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場，多次經(jīng)過電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)后，從位于邊界上的出射口K引出，引出時(shí)的動(dòng)能為EK。已知K、Q的距離為d。

圖1

(1) 求粒子出射前經(jīng)過加速電場的次數(shù)N；

(2) 求磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B；

(3) 如果在Δt時(shí)間內(nèi)有一束該種粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場，粒子在射出K之前都未相互碰撞，求Δt的范圍。

3 仿真實(shí)驗(yàn)課件制作

本題為復(fù)合場問題，可以使用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”軟件，根據(jù)題目情境創(chuàng)建勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，用不考慮重力的帶電小球模擬帶電粒子。為模擬一束粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場后的物理過程，可將若干靜止的帶電粒子提前置于P點(diǎn)，使用軟件自帶的程序編輯器控制帶電粒子在指定的時(shí)間依次進(jìn)入電場。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

打開“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”軟件，設(shè)置坐標(biāo)比例為默認(rèn)值(圖2)。點(diǎn)擊工具欄上的“編輯”—“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置，將“考慮重力作用”和“考慮運(yùn)動(dòng)對(duì)象間電荷吸引”前面的勾選去除(圖3)。

圖2

圖3

3.2 創(chuàng)建勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場

點(diǎn)擊右方工具條上“勻強(qiáng)磁場”圖標(biāo)，用鼠標(biāo)左鍵在實(shí)驗(yàn)區(qū)域拖出一個(gè)勻強(qiáng)磁場，命名為“磁場1”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為20m、-22m、-25m、-10m，磁感應(yīng)強(qiáng)度B設(shè)置為2T，磁場方向垂直紙面向內(nèi)。然后用同樣的方法創(chuàng)建“磁場2”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為20m、-22m、10m、25m，磁感應(yīng)強(qiáng)度B設(shè)置為2T，磁場方向垂直紙面向內(nèi)。

點(diǎn)擊右方工具條上“勻強(qiáng)電場”圖標(biāo)，用鼠標(biāo)左鍵在實(shí)驗(yàn)區(qū)域拖出勻強(qiáng)電場區(qū)域，命名為“電場1”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為-18m、-22m、-10m、10m，電場強(qiáng)度E設(shè)置為1N/C。

3.3 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)對(duì)象

點(diǎn)擊右方工具條上“運(yùn)動(dòng)對(duì)象”圖標(biāo)，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)對(duì)象，命名為“粒子1”，為方便輸入和計(jì)算，設(shè)定電荷量為1C、運(yùn)動(dòng)圓周的半徑為0.5m，初位移設(shè)定為x=-10m，y=-20m，點(diǎn)擊“確定”完成創(chuàng)建(圖4)。

圖4

點(diǎn)擊“運(yùn)行實(shí)驗(yàn)”按鈕就可以模擬粒子的運(yùn)動(dòng)過程，粒子在下方勻強(qiáng)電場中做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在左、右磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，在兩磁場中間做勻速直線運(yùn)動(dòng)，軌跡類似于田徑場跑道(圖5)。

圖5

為模擬Δt時(shí)間內(nèi)一束粒子從P點(diǎn)連續(xù)飄入電場，以與粒子1相同的參數(shù)再創(chuàng)建5個(gè)粒子，依次命名為“粒子2”到“粒子6”，使用復(fù)制、粘貼的方法快速完成創(chuàng)建。因?yàn)楹罄m(xù)粒子要等到指定時(shí)刻才開始運(yùn)動(dòng)，所以要先去除對(duì)話框左下角“有效(enable)”的勾選。另外，為了方便區(qū)分各個(gè)粒子，可以在“外觀屬性”選項(xiàng)卡中調(diào)整運(yùn)動(dòng)對(duì)象的顏色。

3.4 設(shè)置后續(xù)粒子開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

使用程序編輯器設(shè)定后續(xù)粒子開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，在上方工具欄上點(diǎn)擊“程序”—“程序編輯器”，進(jìn)入語句輸入欄，輸入以下語句：

判斷1:如果(t=1)則執(zhí)行

粒子2.enable=1

結(jié)束判斷1

判斷2:如果(t=2)則執(zhí)行

粒子3.enable=1

結(jié)束判斷2

判斷3:如果(t=3)則執(zhí)行

粒子4.enable=1

結(jié)束判斷3

判斷4:如果(t=4)則執(zhí)行

粒子5.enable=1

結(jié)束判斷4

判斷5:如果(t=5)則執(zhí)行

粒子6.enable=1

結(jié)束判斷5

語句中的“粒子2.enable”表示運(yùn)動(dòng)對(duì)象有效性的變量，粒子處于無效狀態(tài)時(shí)，其值為“0”。運(yùn)行程序后，當(dāng)時(shí)間t=1s時(shí)，執(zhí)行第2行語句“粒子2.enable=1”，則粒子2被激活開始運(yùn)動(dòng);當(dāng)時(shí)間t=2s時(shí)，粒子3被激活開始運(yùn)動(dòng)，以此類推,這樣就實(shí)現(xiàn)了每隔1s有一個(gè)粒子進(jìn)入加速電場。語句輸入完成后點(diǎn)擊“確定”，再點(diǎn)擊工具欄中的“運(yùn)行實(shí)驗(yàn)”按鈕就可以看到粒子的運(yùn)動(dòng)過程和軌跡。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)行課件后可看到：粒子1最先出發(fā)，粒子6最后出發(fā)，時(shí)間差為Δt，因?yàn)楦鱾€(gè)粒子的初始條件相同，所以它們的運(yùn)動(dòng)軌跡都完全相同，即后出發(fā)的粒子都重復(fù)前面粒子的運(yùn)動(dòng)。但因?yàn)橄瘸霭l(fā)的粒子的速率始終大于后出發(fā)的粒子，所以粒子的路程差會(huì)不斷加大，當(dāng)最先出發(fā)的粒子比最后出發(fā)的粒子多運(yùn)動(dòng)一圈時(shí)，則可能發(fā)生碰撞。

4 結(jié)語

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，物理習(xí)題教學(xué)是提高學(xué)生科學(xué)思維能力的有效途徑。在難以用實(shí)驗(yàn)演示的情況下，使用”仿真物理實(shí)驗(yàn)室”展示復(fù)雜的物理過程非常有效。很多物理教師主要使用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”的基本功能，只能模擬初狀態(tài)一定時(shí)的物理情景。而結(jié)合軟件附帶的程序編輯器，則可以實(shí)現(xiàn)剪斷繩子、突然施加或者撤銷某力、物體依次開始運(yùn)動(dòng)等操作，進(jìn)而模擬更復(fù)雜的場景。在習(xí)題教學(xué)中使用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”，能夠快速創(chuàng)建物理情景，提高習(xí)題教學(xué)的效率，提升學(xué)生解決復(fù)雜物理問題的能力。