模拟实验在物理教学中的应用

朱天锁

物理是一门以实验为基础的学科，在物理教学中，正确规范的做好实验，既可以激发学生强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣，引导学生形成物理概念，掌握物理规律，又可以培养学生的观察能力、思维能力、分析问题和解决问题的能力以及实验能力.自己通过多年的教学实践体会到，作为物理实验中的一个重要方面的内容——模拟实验，应用在物理教学中，对于弥补真实实验的不足，克服其局限性，在建立概念，发现、检验和深化物理规律等方面有重要的作用.近年来，随着物理实验仪器设备的更新，多媒体教学设备的广泛应用，以往教学中比较抽象、比较复杂或用通常实验手段观察不到的一些物理现象，通过模拟实验可以生动形象的演示出来，为模拟实验在物理教学中开辟了越来越多的新领域，使模拟实验在物理教学中显得越来越重要了.本文就运用模拟实验的方法，突出重点，突破难点，提高学生学习兴趣，培养能力等方面做一些探讨.

一、利用模拟实验，排除干扰，突出重点

有的天然物理过程，由于不能人为的控制其发展，也不能排除次要因素的影响，常常被一些表面现象所迷惑得出错误结论.而根据人们研究的需要，利用模拟实验，人为的控制实验条件，排除干扰，突出重点，抓住关键，使问题的研究更加集中，更加典型，这就有利于人们准确地认识和把握所研究的物理现象，进而发现其中的规律性，例如有关落体运动，学生据日常所见早已形成重的物体比轻的物体下落的快的错误观念.学过牛顿第二定律后，虽然从理论上得出了在同一位置上的一切物体不论质量大小，它们加速度相同的结论，但遇到具体问题，往往又回到早已定型的错误结论上去.所以教材上除列举了许多实例外，还安排了牛顿管的模拟实验.为了使实验的效果更加理想，在课堂演示时采取使这个过程逐渐接近理想条件的方法.先打开牛顿管的阀门，让学生观察管内羽毛和铁片运动快慢的差异，然后分几次逐步抽气，让学生观察比较随管内气压的减小，羽毛和铁片运动快慢的差异的变化，直到两者同时到达底端.这样不仅使学生掌握了落体运动规律，而且明确了在这个模拟实验中，是人为的控制条件，逐步排除空气的干扰，纯化实验条件，突出重点，使它接近理想化的程度.

二、利用模拟实验，使微观现象宏观化，抽象内容具体化

有些物理现象，由于涉及的物体太小，给观察带来了很大的困难或根本观察不到.利用模拟实验，可以较好的解决这个问题，如讲布朗运动时，通常是用花粉或滕黄粉放在显微镜下，让学生分组观察，由于显微镜观察范围的限制，加上学生对微观世界缺乏认识，老师难于指导，有些学生根本找不到真正的观察目标，完不成观察的目的.特别是对布朗运动是反映大量分子无规则运动的抽象解释，学生不易理解.利用布朗运动模拟演示器来模拟布朗运动，借助投影仪进行演示，形象直观.实验时转到发击机构使环内的小钢珠产生无规则运动，这些小钢珠反复撞击橡胶小圆面，小圆面也做无规则运动，这幅图像就形象的模拟了布朗运动.在这个模拟实验中学生不仅看到了悬浮在水中的固体小颗粒的运动，而且对布朗运动的抽象解释中，涉及到看不见的分子的无规则运动的情况也“一目了然”.

这类模拟实验，实际上是形象化的类比，学生是通过模拟图像去理解物理问题的.对培养学生的想象能力、创造能力和激发学生的学习兴趣有很大的作用.因此，在学习课外活动中，我有意识的安排这类形象的模拟问题，让学生仿制或设计一些模拟教具.如有的同学利用明胶片制成投影片来模拟饱和汽的情况，两个动片上用圆点来模拟分子，通过两个动片向相反方向的运动，在屏幕上显示出汽分子从液面飞出飞进的运动情况，形象逼真.有的同学用在两个明胶片上分别画出的一组同心圆，演示波的干涉现象，效果明显.在交流时，表演者十分兴奋，为自己取得的成绩而感到欣喜;观察者情绪激动，提高了学习物理的兴趣和参加课外活动的热情.

近年来，随着多媒体技术的普及和应用，利用微机进行模拟实验已成为一种富有特色的新的教学形式，学生在这个特有的环境下学习表现出一种强烈的求知欲望.其实，它的优势主要表现在教学中，有许多物理现象和过程不能在通常情况下或从简单的实验中获得，像一些具有危险性或代价昂贵的实验，通过微机就可以模拟出这些过程或现象.

三、利用模拟实验，使动态过程能动能静，动静结合

有些动态变化中，现象稍纵即逝，利用模拟实验不仅可以将动态过程显示出来，而且可以通过“暂停”将某一瞬时的情况反映出来，大大增强了直观性.例如，在机械波的形成过程中，媒质中的各个质点处于不停的震动中，波形不停的向前传播，容易造成媒质中的质点随波向前迁移的错觉，某一瞬时的情况就更不容易掌握.利用波动演示器模拟横波和纵波形象，效果很好，它主要是利用一组偏心轮来带动模拟质点进行演示的，它既可以慢动作的模拟波的形成和传播，也可以反映某一瞬时波的形状，分析各个质点的相对位置等.这就克服了以往利用挂图只能说明某一瞬时的波形，无法说明波的传播和质点的运动，能静不能动的缺陷，能动不能静的不足，以及观察实际波动过程，无法扑捉某一时刻各个质点的情况.而波动演示器的模拟演示，则能动能静，动静结合，同时还可以对整个过程分层再现，为学生提供了观察和思考的机会，加深了印象.

利用微机对动态过程进行模拟，是微机的另一显著优势，像在平抛运动的教学中，利用平抛竖落仪进行演示，由于过程非常快，球又小，学生看不到两个小球运动过程中的运动规律有何联系，只能凭两球落地的撞击声，判断两球在空中运动的时间大致相等，很难完成教学要求.如果在这个基础上，在利用微机进行辅助模拟演示，放慢小球的运动速度，学生就很容易观察到两球运动规律的联系.这样，将真实实验和微机模拟有机地结合起来，会收到事半功倍的教学效果.