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

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。

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