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      計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在中學(xué)物理自感現(xiàn)象中的應(yīng)用

      2022-06-15 03:58:39鞏金秋
      民族文匯 2022年27期
      關(guān)鍵詞:中學(xué)物理應(yīng)用

      鞏金秋

      摘 要:近年來,隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,信息科技水平快速提高,將計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)階段我國高校實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行結(jié)合,以解決中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的瓶頸問題為目標(biāo),提出將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)理念與技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路,以期為中學(xué)物理有關(guān)實(shí)驗(yàn)的順利開設(shè)提供參考。

      關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);中學(xué)物理;自感現(xiàn)象;應(yīng)用

      引言

      隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步,物理實(shí)驗(yàn)不再局限于實(shí)驗(yàn)室,通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)越來越受到教師和學(xué)生的喜愛,因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)具有可視性好、簡(jiǎn)單快捷的優(yōu)點(diǎn),而且不受時(shí)間和空間的限制。把仿真軟件應(yīng)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中既是對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種補(bǔ)充,又是一種新的嘗試和改革。

      1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在中學(xué)物理中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

      1.1投資較少,相對(duì)靈活

      與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比,仿真實(shí)驗(yàn)的成本及后續(xù)所需資金都較少,且占用場(chǎng)地較小,相對(duì)靈活,實(shí)驗(yàn)課的安排與調(diào)整比較方便。

      1.2安全性高,不受外部因素的影響

      在長(zhǎng)期使用后由于元器件出現(xiàn)磨損會(huì)造成實(shí)物儀器測(cè)量誤差偏大,準(zhǔn)確度及精確度會(huì)下降,校準(zhǔn)和維修的次數(shù)也將增加,而且容易受到如溫度、濕度、氣壓、光照、等外部因素的影響,使得儀器的穩(wěn)定性降低。而仿真實(shí)驗(yàn)不會(huì)受到以上因素的影響,實(shí)驗(yàn)會(huì)在程序設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)定好的理想狀況下進(jìn)行,從而獲得良好的實(shí)驗(yàn)效果,能夠避免因?yàn)槭д`或者操作不當(dāng)造成實(shí)驗(yàn)失敗給學(xué)生帶來的挫敗感。此外,用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不但會(huì)消耗實(shí)驗(yàn)耗材,還將會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)垃圾,而仿真實(shí)驗(yàn)不會(huì)遇到這些問題。

      1.3能夠克服時(shí)間和空間的制約

      如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)得到了可靠的技術(shù)保障,學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的操作,使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室受時(shí)間和空間制約的不利條件得以克服。教師可通過利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì),結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)從而形成多維的物理實(shí)驗(yàn)立體教學(xué)的新模式。

      1.4能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

      因?yàn)槲锢矸抡鎸?shí)驗(yàn)采用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù),實(shí)驗(yàn)環(huán)境自然逼真、形象直觀、內(nèi)容豐富,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

      2計(jì)算機(jī)仿真自感現(xiàn)象的意義

      自感現(xiàn)象普通高中教科書物理選擇性必修課,是電磁感應(yīng)章的最后一節(jié),是前面楞次定律最具代表的例子。學(xué)習(xí)該節(jié)知識(shí),不僅能夠讓學(xué)生了解楞次定律與生活的聯(lián)系,還能為后面學(xué)習(xí)電感元件在交變電流中作用打下良好的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)自感現(xiàn)象的過程中,學(xué)生能觀察到課本演示實(shí)驗(yàn)中電燈泡的發(fā)光情況,但他們很難說清燈泡發(fā)光亮度變化的原因,只能用比較抽象的楞次定律來解釋這一現(xiàn)象。而且自感現(xiàn)象有時(shí)候并不明顯,很多同學(xué)也不了解自感現(xiàn)象。借助計(jì)算機(jī)仿真軟件來實(shí)現(xiàn)電路中電流的可視化,可以讓學(xué)生看到電流在電路中的變化情況,從而直觀認(rèn)識(shí)自感線圈對(duì)電路的影響。

      3演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

      3.1實(shí)物演示自感現(xiàn)象

      自感現(xiàn)象指一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí),會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。下面先通過實(shí)物演示通電和斷電的自感現(xiàn)象,再應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)兩個(gè)電路進(jìn)行仿真,觀察電路中電流的變化規(guī)律。

      (1)通電自感現(xiàn)象演示

      如圖1所示,兩個(gè)燈泡A1和A2的規(guī)格相同,A1與線圈L串聯(lián)后接到電源上,A2與可調(diào)電阻R串聯(lián)后接到電源上。先閉合開關(guān)S,再調(diào)節(jié)電阻R,使兩個(gè)燈泡的亮度相同,再調(diào)節(jié)可調(diào)電阻,使它們都正常發(fā)光,然后斷開開關(guān)S。重新接通電路,觀察開關(guān)閉合時(shí)兩個(gè)燈泡的發(fā)光情況。在實(shí)驗(yàn)室中按照電路圖1連接好實(shí)物圖,當(dāng)開關(guān)S閉合的瞬間,會(huì)觀察到小燈泡A1先發(fā)光,而A2緩慢變亮。在上面的演示中,當(dāng)閉合開關(guān)的瞬間,電流從無到有,線圈L中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)楞次定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙電流增加,所以燈泡A1會(huì)逐漸亮起來。

      (2)斷電自感現(xiàn)象演示

      按課本上的電路圖連接好電路,然后關(guān)閉開關(guān),使燈泡正常發(fā)光,然后再斷開開關(guān)。在演示此實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要提醒學(xué)生觀察當(dāng)斷開開關(guān)的一瞬間,燈泡的發(fā)光情況。在實(shí)驗(yàn)室中按照電路圖連接好實(shí)物圖,首先閉合開關(guān)S,讓小燈泡正常發(fā)光,然后再斷開開關(guān),斷開過程中要注意觀察小燈泡的發(fā)光情況。當(dāng)在燈泡發(fā)光穩(wěn)定之后斷開開關(guān)的一瞬間,觀察到小燈泡會(huì)閃一下再慢慢變暗,與生活中觀察到的現(xiàn)象有所不同。在開關(guān)斷開的一瞬間,根據(jù)楞次定律,自感線圈會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)來阻礙導(dǎo)線中的電流減小。

      3.2計(jì)算機(jī)仿真軟件演示自感現(xiàn)象

      為了讓學(xué)生更加直觀地了解開關(guān)閉合和斷開時(shí)電路中的自感現(xiàn)象,借助計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行仿真。因?yàn)榻柚?jì)算機(jī)軟件能觀察電流的實(shí)時(shí)變化情況,所以如果引入計(jì)算機(jī)軟件,能讓學(xué)生更直觀地了解自感現(xiàn)象產(chǎn)生的原理。

      (1)計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助演示通電自感現(xiàn)象

      本文用計(jì)算機(jī)工具里的Simulink對(duì)圖1所示的電路進(jìn)行仿真,具體方法如下。

      ①搭建模塊

      首先,打開計(jì)算機(jī)軟件中的Simulink,新建一個(gè)窗口,然后根據(jù)圖1選擇相應(yīng)的模塊,點(diǎn)擊SimPowerSysterms從中找到電源模塊,把它拖動(dòng)到新建的界面中,然后再設(shè)置電壓值。電壓值與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的電壓一樣,為10V。其次,在Measurements里找到電流表CurrentMeasurement,并Elements里找到ParallelRLCBranch模塊。再次,在Simulink-Sinks中找到開關(guān)模塊Signalrouting,把它拖動(dòng)到界面中。最后,在Simulink-Sinks中找到顯示模塊Scope,雙擊插入新建界面中。用小電阻A1、A2代替小燈泡,將小電阻的阻值設(shè)置成與小燈泡一樣的阻值,為10Ω。

      ②進(jìn)行連接

      把上面的模塊按照對(duì)應(yīng)的電路圖進(jìn)行連接,連接好的圖如圖1所示。

      ③運(yùn)行仿真

      點(diǎn)擊開始運(yùn)行按鈕Simulation,等待幾秒鐘,在示波器Scope框中就能看到結(jié)果。電流表1的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

      通過把計(jì)算機(jī)仿真軟件引入演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中,可以清晰地看見電路中電流的變化情況。圖2呈現(xiàn)的是不含自感線圈的電路,當(dāng)開始仿真運(yùn)行時(shí)它的電流先變大后緩慢減小,之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。同樣,對(duì)于電流表2,它在含有自感線圈的電路中,當(dāng)開始仿真運(yùn)行時(shí)它的電流先緩慢變大,然后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),正好驗(yàn)證了楞次定律。

      (2)計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助演示斷電自感現(xiàn)象

      具體流程與前面利用計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助演示通電自感現(xiàn)象的流程一樣。通過把計(jì)算機(jī)仿真軟件引入演示自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中,可以清晰地看見電路中電流的變化情況:對(duì)于不含自感線圈的電路,當(dāng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí),在斷開開關(guān)的一瞬間,電流方向會(huì)發(fā)生改變,隨后電流緩慢減小,之后減小為0;對(duì)于含有自感線圈的電路,當(dāng)斷開開關(guān)的一瞬間,流過它的電流快速減小,之后變?yōu)?,也驗(yàn)證了楞次定律。

      結(jié)束語

      本文以演示自感現(xiàn)象為例,通過實(shí)物演示了自感現(xiàn)象,還引入仿真軟件來仿真自感現(xiàn)象,豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,能夠讓學(xué)生更好地理解自感現(xiàn)象。把計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用到物理教學(xué)中,雖然能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,但是也存在一些不足之處,例如由于過度依賴虛擬實(shí)驗(yàn)儀器,不利于學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的提高。因此,教師要將仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來,互為補(bǔ)充。

      參考文獻(xiàn)

      [1]朱麗镕,羊波.仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備,2013(15):129-131.

      [2]王衛(wèi)國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(5):214-219.

      [3]葉妙璇.信息技術(shù)與初中物理學(xué)科教學(xué)深度融合的思考與實(shí)踐[J].中學(xué)理科園地,2021,17(04):54-56.

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