物理實(shí)驗?zāi)M論文

1、物理實(shí)驗?zāi)M論文 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)驗教學(xué)中日益受到重視，文章介紹了對象模擬、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；模擬法；對象模擬；相似模擬；過程模擬；模擬放大 模擬法是通過設(shè)計與原型（自然現(xiàn)象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規(guī)律的方法。它隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，是人類認(rèn)識世界和改造世界最基礎(chǔ)的方法之一。此法應(yīng)用于物理教學(xué)可使事過境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過程在實(shí)驗室重現(xiàn)，可將現(xiàn)象簡化或進(jìn)行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀

2、器可演示的實(shí)驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。 物理實(shí)驗中的模擬法，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。 一、對象模擬 就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規(guī)律的客觀實(shí)體來代替研究對象的方法叫對象模擬。 對象模擬的設(shè)計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，在實(shí)驗基礎(chǔ)上，運(yùn)用對象模擬法，用自行車氣門和進(jìn)水閥門來模擬單向門。如此，不但

3、加深對“單向性”的認(rèn)識，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)動的“地球”表面。此時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。 二、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來代替對實(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，把設(shè)計好的收音機(jī)縮小成模型放在風(fēng)洞中試驗其特性等

4、。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)驗教學(xué)中的“失重和超重模擬實(shí)驗”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場中的平衡進(jìn)行“密立根油滴實(shí)驗”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。 電場線是用來形象地描述電場的假想的曲線。做好“電場線”的演示實(shí)驗?zāi)M，對實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)十分重要。因此我們可利用感應(yīng)起電機(jī)、清潔過的彩色絲線（可從舊的錦旗上取得）、金屬鋁板（即老式平行板電容器）等器材對“電場線”加以形象模擬。制作時只需將鋁板按自己需要劃出小方格，約1cm2間隔打一細(xì)孔（能穿過絲線即可），然后每孔穿上絲線背面打結(jié)，穿好后，將絲線剪

5、成1寸多長左右，（力求整齊一致），過長，易互交結(jié)，不便演示。將兩金屬板平行豎直放置，固定在絕緣支柱上。兩板用導(dǎo)線連接至起電機(jī)上。搖起起電機(jī)，立即可見絲線飛起指向另一板，模擬勻強(qiáng)電場的電場線，十分直觀，且全班學(xué)生均可見。如果供電充足，將在兩板邊緣產(chǎn)生放電，每放一次電，絲線產(chǎn)生振動跳躍，確是課堂一大“景觀”。 三、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)動論觀點(diǎn)，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子對器壁連續(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，就顯得直觀生動了。布朗運(yùn)

6、動的模擬，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)動來作一現(xiàn)場過程模擬，無疑會使學(xué)生茅塞頓開。分析曲線運(yùn)動的思想方法運(yùn)動的分解和合成是個難點(diǎn)，可以平拋運(yùn)動為突破口，在演示有關(guān)實(shí)驗后，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）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運(yùn)動，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的質(zhì)點(diǎn)，通過搖轉(zhuǎn)，使質(zhì)點(diǎn)繞平衡位置上下振動，而整體波形向外傳遞，邊演示邊分析，效果很好。

7、熱學(xué)中的統(tǒng)計方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學(xué)時間的限制，怎樣從個別事件的無規(guī)律過渡到大量事件的有規(guī)律，成了模擬實(shí)驗的設(shè)計難點(diǎn)，在教學(xué)中采用全同等可能過程，在不同時刻的空間比較可以等效變換成同一時刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學(xué)同時擲幣若干次，然后統(tǒng)計比較下列情況“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)又受到一次生動的方法論教育。 四、模擬放大 在物理概念和規(guī)律教學(xué)中，學(xué)生往往對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間放大的方式，抓住本質(zhì)特征，展現(xiàn)其生動直觀形象，

8、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水產(chǎn)生的水壓使氣球內(nèi)的水通過玻璃管流出，這時我們看到，水在各個側(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，這時看到玻璃管中水

9、的流速加大，同時所有小側(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，同時所有小側(cè)管中的水面上升。用這個方法，我們可以演示，液體流速大時壓強(qiáng)小，流速小時壓強(qiáng)大。 液體表面張力實(shí)驗中的“水面浮針”，學(xué)生感到新奇，但在分析受力時往往錯誤認(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)生的液面對針的支持力。通過令人信服的實(shí)驗還使學(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)中教師由兩個同學(xué)配合，一個同學(xué)用手撐著腰，另一個同學(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，用長毛板刷來模擬放大物體的運(yùn)動趨勢，一目了然。 新編物理教材中增加了多普勒效應(yīng)。要觀察由于聲源和觀察者的運(yùn)動而使接收到的聲音頻率發(fā)生的變化顯然比較困難，但用單位時間內(nèi)從觀察者身旁通過的人數(shù)來模擬放大聲波的波數(shù)