中学物理虚拟实验研究

王付军 刘云松

摘要 通过常见的通用软件实现物理虚拟实验,对教学中一些难于用实物实现的实验实现重现,从而提高物理教学效果。

关键词 虚拟实验;通用软件;步骤

中图分类号:G 文献标识码:B 文章编号:1671-489X(2009)30-0111-02

Virtual Physics Experimental Research//Wang Fujun, Liu Yunson

Abstract The physical realization of the common general purpose software, a virtual experiment in teaching some of the difficult to achieve with physical experiments to achieve reproducible, thereby enhancing the physical teaching effect.

Key words virtual experiment; general software; steps

Authors address Liaocheng University, Fairmont College, Liaocheng, Shandong, 252000, China

物理是一门实验科学,物理实验在中学物理课程中具有非常重要的位置。物理实验方法既是科学家研究问题的方法,也是学生在学习物理中常用的方法。新课标也要求学生掌握一些探究问题的物理方法。但物理中的许多实验用实物无法实现,如横波纵波的传播机理,光的干涉、衍射、透射中透镜中的光路等,还有历史的经典实验无法真实再现。计算机技术的飞速发展为用软件实现中学物理实验提供了基础,典型的有虚拟仪器软件Labview、电路的仿真软件ewb等,但这些软件不易上手,且有较强的专业性,不太适合中学物理的教学实际,因此需探讨基于通用软件的中学物理虚拟实验。

通用软件应该是在任意一台Windows操作系统的个人PC中使用的、大众化的、常用的软件,这些软件包括Flash、Mathematica、UltraKey(数字虚拟演播室)、几何画板、Sketch Up等,它们便于使用,上手快,开发新的实验周期短,能较好地满足物理教学的需要。下面以几何画板和Sketch Up为例进行探讨。

1 基于几何画板的虚拟实验

作为用于中小学平面几何的教学工具软件,几何画板的独特动态功能,把传统的几何教学带入一个崭新的领域。在物理学上,很多规律都有其数学模型,因而就可利用几何画板来模拟物理实验。它可以说是物理学的“模拟实验楼”。物理教师备课可以用它,讲课可以用它,学生学习也可以用它,所以它是一个提高中学物理教学效率和教学质量的良好工具。几何画板有以下几个特点。

1)动态性。用鼠标拖动图形上的任一元素(点、线、圆),而事先给定的所有几何关系(即图形的基本性质)都保持不变。几何画板将物理规律以不同的方式完美地结合在一起。如在“凸透镜成像”这一课题中,就可在动态演示物距变化与像距及焦距的关系基础上,再用数据把每一位置的像距、焦距、物距表示出来,套入公式验证,让学生更易于理解。

2)形象性。几何画板能营造物理情景。上课时,当教师说“在平面上任取一点”时,在黑板上画出的点却永远是固定的,而几何画板就可以让“任意一点”随意运动,非常形象使它更容易为学生所理解。所以可以把几何画板看成是一块形象的“动态的黑板”。

3)操作简单。一切操作都只靠工具栏和菜单实现,而无需编制任何程序。在几何画板中,一切都要借助于几何关系来表现,因此用它设计软件,最关键的是“把握几何关系”,而这正是教师所擅长的;但同时这也是它的局限性:它只适用于能够用几何模型来描述的内容,如几何问题,部分物理、天文问题等。

例如几何画板动态演示力的分解,可以按以下步骤制作:1)构造小球,如图1所示;2)构造重力矢量图,如图2所示;3)完善课件,如图3所示。

2 基于Sketch Up的中学物理虚拟实验

Sketch Up是一款建筑和室内装修建模软件,官方网站将它比喻为电子设计中的“铅笔”。Sketch Up具有应用简便,可以快速上手的特点。Sketch Up命令不多,很多命令都是一令多能、一令多用,所以界面简洁,效率很高。一般而言,几天就能初步入门,认真做上几个模型,很快就能乐在其中。另外,Sketch Up还具有“所见即所得”和“组件替换”的特点。所谓“所见即所得”,就是屏幕操作所见即最终所得,这就使得设计者的心理基本上处于被解放的状态,而不是处处担心软件的掣肘。“组件替换”能力则使得设计师可以从很粗的模型开始,不断细化各个细部构件,同时也可以把同样的构件做成不同的方案,随时通过组件代换比较效果。

条形磁铁的磁场分布,演示实验有很多种方法,但都是平面的,而真实的磁场是三维的。下面看如何用Sketch Up来实现:1)打开Sketch Up软件,可以看到常用的工具都以图形的方式放在窗口(图4);2)首先用“绘制弧线”工具画一组弧线(图5);3)用“平移”工具将一组磁场线“复制”“粘贴”为不同角度的8组磁场线(当然,这只是有代表性的8个角度而已)(图6);4)利用“绘制正方形”工具与“2D转3D”画出立方体,再将立方体用“平移”键移到恰当的位置(图7);5)利用“材质”工具给磁铁上色,一组可观看条形磁铁磁场分布的虚拟实验便完成了;6)单击“漫游键”,可以得多方位多角度的观察图。用同样的方法可以做出高中阶段绝大部分的磁场、电场3D分布图(图8)。

3 结语

由于技术、成本及不可抗因素,虚拟实验总是与实物实验有一定差距,虚拟实验只是用来学习物理理论的,在实验的过程当中无法产生真实的问题情境变换。比如说同样看到蜂窝,生物学家看到的是它的功能;化学家看到的是它的成分;艺术家看到的是它的颜色、光影;诗人有感而发开始赞美;物理学家呢?当然想的是它的结构。物理虚拟实验不可能全息地反映一个实验,当然也就失去二次发现的机会。所以能用实物实验的,应尽量用实物实验。虚拟实验也有自己独特的优势,合理地利用能更好地为教学服务。

参考文献

[1]几何画板——21世纪的动态几何[EB/OL].http://www.oh100.com/teach/teacher/duomeiti/about/jieshao/200109/07020403070312.html

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京:人民教育出版社,2003

[3]毕金秀.物理虚拟实验的计算机实现[J].甘肃科技纵横,2005(04)