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【摘要】以物体运动为例,阐述利用仿真物理实验来模拟物体的动态过程的一般方法,讲解利用仿真实验来帮助分析物理运动过程和解答物理问题的策略。
【关键词】仿真物理实验物体的运动
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889(2014)06B-0073-02
一、什么是仿真物理实验?
仿真物理实验是指在没有普通意义上的实验必备器材的基础上,利用计算机的仿真软件模拟现实情景,重现物理过程在现实中的现象。它通过图形化界面来体现理论条件下的实验过程,模拟物理实验的现实效果。
一般而言,仿真物理实验是利用FLASH技术开发的最富真实感的实验,可直接在电脑上在线模拟操作。根据物理原理、公式、定律、定理等,通过自主操作,设计出相应的实验情境、实验模型,从而达到实验目的。在物理教学中,当物理条件、情境发生改变时,结果往往也会发生改变,可是学生感觉比较抽象,对这些改变难以理解。通过仿真物理实验来模拟显示,学生就能从模拟实验中观察到现实中很难观察到的物理现象,看到变化及其细节,因此对有关物理现象比较容易理解。比如物体运动在临界条件下的变化,现实中很难观察得到,利用模拟实验就能够直观地观察到临界条件下的物体运动的变化。又如,对一些运动实验,学生很想在不同的条件下,其运动的轨迹是怎样变化,学生可以通过修改数据和条件,然后就马上可以在电脑上观察到这些变化,加深对物理的理解和对知识的把握。还有,学生可以利用仿真实验来对自己在物理学习中推导出来的结果进行检验,即利用仿真物理实验来验证结果。这些对培养学生的思维能力、综合应用能力、开展探究能力都有很大的帮助。
二、“物体的运动”在中学物理教学遇到的困难
在高中物理教学中,力和运动始终贯穿于中学物理教学的整个过程中,要真正去理解力和运动,必须要充分理解物体运动的现象、规律。这要求学生要有丰富的空间思维能力,能够在头脑中形成一个动态的模型,对物体的运动过程、受力情况进行展示。在这一点上,不是每个学生都能做到。实际上,很多学生觉得物理难学也正是这个原因。例如动量守恒应用中,我们常碰到这样的几种运动状况,一个物体在另一个物体上面运动、带电粒子在复合场的运动以及平抛运动、圆周运动、天体运动、机械振动等物体运动,这些运动都比较复杂,有些很难用实验仪器来真实地演示这些运动现象。我们知道,实验演示虽然真实、直观,但由于实验过程的时间短,有的甚至不能对过程进行回放演示,不能对细节部分进行放大,更不能直接修改运动的参数而达到不同的效果,这些限制使得“物体的运动”在教学中遇到了困难。如果我们利用仿真物理实验来处理物体的动态过程,学生将会一目了然,学生对物体运动的困惑从观察仿真实验中得到一一破解,取得良好的学习效果。
仿真物理实验目前市场上已经有成熟的软件系统,可以直接运用,只需一部电脑即可进行操作,在大多数学校都具备运用条件。仿真实验软件的好处是,在教学过程中教师可以直接在课堂上进行操作、演示实验,也可以让学生在各自的电脑上操作演示。“仿真物理实验室”软件固化了物理教学中常用的模型、情境和所有的公式,学生很容易利用它来建立相应的物理模型,然后进行相应的物理仿真实验,帮助学生很好地理解物理过程。用仿真物理实验来模拟演示实验,有利于“物体的运动”的教学。
三、“仿真物理实验室”软件模拟“物体的运动”在教学中的具体应用
仿真物理实验教学中如何进行呢?我们将以下面给出的例子来说明。
【例题】如图所示,质量为M=1km长木板B静止在光滑水平面上,一质量为m=0.5kg的小滑块A(可视为质点)放在长木板的右端,现在给长木板以水平速度v0=12m/s向右运动,滑块与长木板的动摩擦因数为,g取10m/s2,若滑块不从长木板左端滑出,求木板长度 l 至少是多少?
解设滑块运动到木板左端时,两物体刚好有共同的速度 v,根据动量守恒
①
根据能量守恒
②
由①②表达式整理可得
代入数据,可求得l=9.6米。
上面是我们从理论上计算出的结果,但是这个理论结果和实际上的结果是不是一样呢?我们可以通过仿真物理实验来进行验证。
如图1和图2是通过“仿真物理实验室”软件来模拟显示出来的实验结果。
图1是运动前的状态。
图1
图2是运动的结果(运行、验证结果)。
图2
在这个仿真实验中,我们利用“仿真物理实验室”软件给出与题目一样的参数,即M=1km,m=0.5kg,,g=1m/s2。当取l=9.6m 时,滑块正好在木板左端而不滑出。其他量保持不变,如果改变l 的值,滑块将在木板上的不同位置。从这个仿真验证实验的结果来看,效果明显、直观,很好地验证了理论结果,并容易被学生接受。对于这种相对运动的问题,很多学生对滑块和木板如何运动,即向左还是向右往往弄不明白,由于受到相对运动的影响,很多同学误以为滑块是向左运动的,实际上滑块和木板都是向右运动,通过实验显示,学生一目了然了。
又如下图是我们在教学中常见到的一种运动模型,要使得小球能在竖直平面内做圆运动(或不脱离轨道),小球运动的速度范围是多少?
我们在教学过程中可以先让学生思考、计算,然后再通过“仿真物理实验室”来验证结果,甚至可以通过改变速度来演示小球运动的结果,这比通过我们老师口头描述小球运动要好得多。对于这类学生难理解的问题,通过仿真实验来进行直观、简单、明了地展现物理过程和运动结果,学生就不感到那么抽象,能够把抽象的知识具体化。
四、仿真物理实验能够很好培养学生的思维能力
上面模拟实验中,因为要考虑到滑块有一定的长度,在设置木板长度时要把滑块长度考虑进去,才能得到上述电脑显示的结果。如果要使滑块不从木板左端滑出,还可以通过改变哪些条件也能达到呢?对于这个问题,可以交给学生去讨论,然后让学生根据他们自己提出的方案先进行理论上的计算,再利用仿真实验来进行验证。通过拓展这个题目,利用仿真实验,让学生从更多的方面来考虑问题,培养学生的思维能力,提高学生的想象力。
“仿真物理实验室”软件为我们提供了一个实验器具完备的理想的综合实验室,它虽然不是实物实验室,但它可以帮助我们更好地学会利用实验来进行物理学习。在这个仿真实验室中,我们可以亲自动手创建你所能想象的所有实验。高中物理中的理论、公式、过程、现象都已经固化在这个“仿真物理实验室”软件中,我们只需修改相关的参数就可以很好地进行相关的实验。例如上面提到的例子,只要我们修改一下木板的质量、小物块的质量以及它们间的摩擦因数,就可以观察到不同条件下的各种运动状态,更好地理解这个题目的本质特征,更好地理解动量守恒定律和能量守恒定律,更好地训练学生的物理思维能力。
五、利用“仿真物理实验室”进行“物体的运动”教学的总结和反思
(一)备课中存在的问题。虽然,我们可以用“搭积木”方式从软件中很快建立一个物理情境(模型),但要建立一个完美的情境还必须要通过理论分析、推断才能建立起来,比如上述的例题中,题目给出的滑块是一个质点,而在“仿真物理实验室”中的滑块必须要考虑长度,如果没有注意到这一点,滑块将会从木板掉下或滑不到端点。又比如在星体运动、带电粒子的运动,宏观和微观的尺寸相差很大,在设置实际长度和屏幕距离的比例关系时,务必要和实际上的数量级相符合,否则实验将无法模拟演示。这些都需要教师在上课前,一定要做好可能出现各种情况的设想。
(二)教学中存在的问题。在教学过程中,教师先给出一个问题,让学生思考,然后通过“仿真物理实验室”来模拟演示,验证结果,最后通过学生提出可能出现的情况进行进一步的模拟演示。例如上面的例题中要使得滑块不从长木板左端滑出,还可以通过改变哪些参数可以达到呢?学生会给出如改变两物体的质量、木板长度、摩擦因数和初速度等可能性,但我们在教学中不可能全部验证。毕竟一节课的时间有限,这些操作只能留给学生课后去自己验证了。如果学校和学生没有电脑也很难做到,这也是困扰我们教学的一个点。当然,如果条件许可,学生可以在家用电脑进行验证研究。“仿真物理实验室”对教学和学习,特别是对学生的研究性学习,都有很大的帮助。
“仿真物理实验室”在中学教学过程中可能还会出现各种预想不到的困难,但这些困难我们是可以不断克服的。不管怎样,“仿真物理实验室”对培养学生思维能力和探索能力都具有很大的帮助。
【参考文献】
[1]中学仿真实验室应用培训教程[Z].南宁市现代教育教学中心
[2]李云霞.高中物理题中隐含的动态过程的分析[J].百色学院学报,2006(S1)
[3]裴明旭,刘波.大学物理仿真实验的应用与反思[J].江苏技术师范学院, 2010(6)
(责编卢建龙)
【关键词】仿真物理实验物体的运动
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889(2014)06B-0073-02
一、什么是仿真物理实验?
仿真物理实验是指在没有普通意义上的实验必备器材的基础上,利用计算机的仿真软件模拟现实情景,重现物理过程在现实中的现象。它通过图形化界面来体现理论条件下的实验过程,模拟物理实验的现实效果。
一般而言,仿真物理实验是利用FLASH技术开发的最富真实感的实验,可直接在电脑上在线模拟操作。根据物理原理、公式、定律、定理等,通过自主操作,设计出相应的实验情境、实验模型,从而达到实验目的。在物理教学中,当物理条件、情境发生改变时,结果往往也会发生改变,可是学生感觉比较抽象,对这些改变难以理解。通过仿真物理实验来模拟显示,学生就能从模拟实验中观察到现实中很难观察到的物理现象,看到变化及其细节,因此对有关物理现象比较容易理解。比如物体运动在临界条件下的变化,现实中很难观察得到,利用模拟实验就能够直观地观察到临界条件下的物体运动的变化。又如,对一些运动实验,学生很想在不同的条件下,其运动的轨迹是怎样变化,学生可以通过修改数据和条件,然后就马上可以在电脑上观察到这些变化,加深对物理的理解和对知识的把握。还有,学生可以利用仿真实验来对自己在物理学习中推导出来的结果进行检验,即利用仿真物理实验来验证结果。这些对培养学生的思维能力、综合应用能力、开展探究能力都有很大的帮助。
二、“物体的运动”在中学物理教学遇到的困难
在高中物理教学中,力和运动始终贯穿于中学物理教学的整个过程中,要真正去理解力和运动,必须要充分理解物体运动的现象、规律。这要求学生要有丰富的空间思维能力,能够在头脑中形成一个动态的模型,对物体的运动过程、受力情况进行展示。在这一点上,不是每个学生都能做到。实际上,很多学生觉得物理难学也正是这个原因。例如动量守恒应用中,我们常碰到这样的几种运动状况,一个物体在另一个物体上面运动、带电粒子在复合场的运动以及平抛运动、圆周运动、天体运动、机械振动等物体运动,这些运动都比较复杂,有些很难用实验仪器来真实地演示这些运动现象。我们知道,实验演示虽然真实、直观,但由于实验过程的时间短,有的甚至不能对过程进行回放演示,不能对细节部分进行放大,更不能直接修改运动的参数而达到不同的效果,这些限制使得“物体的运动”在教学中遇到了困难。如果我们利用仿真物理实验来处理物体的动态过程,学生将会一目了然,学生对物体运动的困惑从观察仿真实验中得到一一破解,取得良好的学习效果。
仿真物理实验目前市场上已经有成熟的软件系统,可以直接运用,只需一部电脑即可进行操作,在大多数学校都具备运用条件。仿真实验软件的好处是,在教学过程中教师可以直接在课堂上进行操作、演示实验,也可以让学生在各自的电脑上操作演示。“仿真物理实验室”软件固化了物理教学中常用的模型、情境和所有的公式,学生很容易利用它来建立相应的物理模型,然后进行相应的物理仿真实验,帮助学生很好地理解物理过程。用仿真物理实验来模拟演示实验,有利于“物体的运动”的教学。
三、“仿真物理实验室”软件模拟“物体的运动”在教学中的具体应用
仿真物理实验教学中如何进行呢?我们将以下面给出的例子来说明。
【例题】如图所示,质量为M=1km长木板B静止在光滑水平面上,一质量为m=0.5kg的小滑块A(可视为质点)放在长木板的右端,现在给长木板以水平速度v0=12m/s向右运动,滑块与长木板的动摩擦因数为,g取10m/s2,若滑块不从长木板左端滑出,求木板长度 l 至少是多少?
解设滑块运动到木板左端时,两物体刚好有共同的速度 v,根据动量守恒
①
根据能量守恒
②
由①②表达式整理可得
代入数据,可求得l=9.6米。
上面是我们从理论上计算出的结果,但是这个理论结果和实际上的结果是不是一样呢?我们可以通过仿真物理实验来进行验证。
如图1和图2是通过“仿真物理实验室”软件来模拟显示出来的实验结果。
图1是运动前的状态。
图1
图2是运动的结果(运行、验证结果)。
图2
在这个仿真实验中,我们利用“仿真物理实验室”软件给出与题目一样的参数,即M=1km,m=0.5kg,,g=1m/s2。当取l=9.6m 时,滑块正好在木板左端而不滑出。其他量保持不变,如果改变l 的值,滑块将在木板上的不同位置。从这个仿真验证实验的结果来看,效果明显、直观,很好地验证了理论结果,并容易被学生接受。对于这种相对运动的问题,很多学生对滑块和木板如何运动,即向左还是向右往往弄不明白,由于受到相对运动的影响,很多同学误以为滑块是向左运动的,实际上滑块和木板都是向右运动,通过实验显示,学生一目了然了。
又如下图是我们在教学中常见到的一种运动模型,要使得小球能在竖直平面内做圆运动(或不脱离轨道),小球运动的速度范围是多少?
我们在教学过程中可以先让学生思考、计算,然后再通过“仿真物理实验室”来验证结果,甚至可以通过改变速度来演示小球运动的结果,这比通过我们老师口头描述小球运动要好得多。对于这类学生难理解的问题,通过仿真实验来进行直观、简单、明了地展现物理过程和运动结果,学生就不感到那么抽象,能够把抽象的知识具体化。
四、仿真物理实验能够很好培养学生的思维能力
上面模拟实验中,因为要考虑到滑块有一定的长度,在设置木板长度时要把滑块长度考虑进去,才能得到上述电脑显示的结果。如果要使滑块不从木板左端滑出,还可以通过改变哪些条件也能达到呢?对于这个问题,可以交给学生去讨论,然后让学生根据他们自己提出的方案先进行理论上的计算,再利用仿真实验来进行验证。通过拓展这个题目,利用仿真实验,让学生从更多的方面来考虑问题,培养学生的思维能力,提高学生的想象力。
“仿真物理实验室”软件为我们提供了一个实验器具完备的理想的综合实验室,它虽然不是实物实验室,但它可以帮助我们更好地学会利用实验来进行物理学习。在这个仿真实验室中,我们可以亲自动手创建你所能想象的所有实验。高中物理中的理论、公式、过程、现象都已经固化在这个“仿真物理实验室”软件中,我们只需修改相关的参数就可以很好地进行相关的实验。例如上面提到的例子,只要我们修改一下木板的质量、小物块的质量以及它们间的摩擦因数,就可以观察到不同条件下的各种运动状态,更好地理解这个题目的本质特征,更好地理解动量守恒定律和能量守恒定律,更好地训练学生的物理思维能力。
五、利用“仿真物理实验室”进行“物体的运动”教学的总结和反思
(一)备课中存在的问题。虽然,我们可以用“搭积木”方式从软件中很快建立一个物理情境(模型),但要建立一个完美的情境还必须要通过理论分析、推断才能建立起来,比如上述的例题中,题目给出的滑块是一个质点,而在“仿真物理实验室”中的滑块必须要考虑长度,如果没有注意到这一点,滑块将会从木板掉下或滑不到端点。又比如在星体运动、带电粒子的运动,宏观和微观的尺寸相差很大,在设置实际长度和屏幕距离的比例关系时,务必要和实际上的数量级相符合,否则实验将无法模拟演示。这些都需要教师在上课前,一定要做好可能出现各种情况的设想。
(二)教学中存在的问题。在教学过程中,教师先给出一个问题,让学生思考,然后通过“仿真物理实验室”来模拟演示,验证结果,最后通过学生提出可能出现的情况进行进一步的模拟演示。例如上面的例题中要使得滑块不从长木板左端滑出,还可以通过改变哪些参数可以达到呢?学生会给出如改变两物体的质量、木板长度、摩擦因数和初速度等可能性,但我们在教学中不可能全部验证。毕竟一节课的时间有限,这些操作只能留给学生课后去自己验证了。如果学校和学生没有电脑也很难做到,这也是困扰我们教学的一个点。当然,如果条件许可,学生可以在家用电脑进行验证研究。“仿真物理实验室”对教学和学习,特别是对学生的研究性学习,都有很大的帮助。
“仿真物理实验室”在中学教学过程中可能还会出现各种预想不到的困难,但这些困难我们是可以不断克服的。不管怎样,“仿真物理实验室”对培养学生思维能力和探索能力都具有很大的帮助。
【参考文献】
[1]中学仿真实验室应用培训教程[Z].南宁市现代教育教学中心
[2]李云霞.高中物理题中隐含的动态过程的分析[J].百色学院学报,2006(S1)
[3]裴明旭,刘波.大学物理仿真实验的应用与反思[J].江苏技术师范学院, 2010(6)
(责编卢建龙)