物理习题教学中“仿真物理实验室”的应用

☆ 王 浩 吴 伟

（南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京 210046）

学生要解决好一道物理题目，需要认真准确地分析出其中的各个物理状态和物理过程，尤其是在综合性较强的题目中体现得更加明显。在物理习题教学的过程中，就需要帮助学生把这些复杂的物理状态和物理过程分析清楚。但是有些题目的物理状态和物理过程比较抽象，而且大多数物理过程都是比较理想化的，在现实的条件下无法实现，这就导致不少学生因为抽象而难以理解和掌握，使得教学过程较难进行。而“仿真物理实验室”正好可以帮助教师解决这个问题，“仿真物理实验室”可以模拟理想化的实验，它将物理规律内置，也可以对重力场、磁场、电场、摩擦系数、质量、电荷量等物理量按照所需进行设置，并且可以输出所需要的数据或图像。此软件操作简单，可以很方便地制作出所需课件，将抽象的物理过程形象化，帮助学生理解掌握。下面以带电粒子在电磁场中的运动为例来简单介绍“仿真物理实验室”在物理习题教学中的应用。

例：如图1 所示，质量为m，带电荷量为＋q 的带电粒子以初速度v0垂直进入相互正交的匀强电场E 和匀强磁场B 中，从P 点离开该区域，此时侧向位移为s，粒子重力不计，则（ ）。

A．粒子在P 点所受的磁场力可能比电场力大

图1

这是一个带电粒子在电磁场中的运动，需要准确分析运动的过程和各个物理量的变化情况。对本题的分析思路大致如下：因为P 点在v0所在水平线的下方，所以，开始时有qE＞qv0B（如果qE＜qv0B 则粒子只能在v0所在水平线的上方出射，这种情况也可通过“仿真物理实验室”来进行模拟验证，使得学生对这一点印象更深），在运动过程中，W电＞0,v 增加，qvB 增加，所以，带电粒子受变力，B 是错误的。由动能定理可以判断D 是错误的，C是正确的。对于A，一开始qE＞qv0B，而后qE 不变，qvB增加，而会不会qE＜qvB，在什么时候会qE＜qvB，粒子在运动过程中各个物理量到底是怎样变化的，轨迹又是什么样子的？对于部分学生来说就有些难以想象出来，这就可以利用“仿真物理实验室”进行模拟展示粒子的运动过程和显示各个物理量的变化情况，让学生更清晰地了解粒子的运动过程，对学生学习带电粒子在复合场中的运动问题的认识有很大的帮助。

下面我们来用“仿真物理实验室”来制作出这样的课件。

（1）新建实验。打开“仿真物理实验室软件”，单击“文件”→“新建”，在窗口上出现十字线，在适当的位置单击鼠标。出现如图2 所示的对话框，选择合适的比例后，单击确定建立坐标系（本例选择的是0．5 米）。之后出现软件整体窗口，我们将在这里进行模拟实验。

图2

（2）设置实验基本环境。单击主菜单上的“设”按钮，出现如图3 所示的“实验设置”对话框，对复选框进行选择，按照需要进行基本设置（本例不考虑重力作用）。

图3

（3）创建匀强电场和匀强磁场。单击“编辑”→“创建”，分别创建匀强磁场和匀强电场，并设置匀强电场和匀强磁场的大小、方向和区域等。也可以在以后通过主菜单上的“调”按钮对各个对象进行重新设置并修改，如图4 所示是匀强电场的设置对话框。

图4

（4）创建运动对象。单击“编辑”→“创建”→“运动对象”，窗口上出现一个小十字，在合适的位置单击创建运动对象，将出现对运动对象设置的对话框，对运动对象进行初位置、初速度、质量、带电量、形状等基本设置。还可以在该对话框中单击“动态显示高级设置”，出现如图5 所示的窗口，对复选框进行选择，在调试时将动态地显示所选的物理量变化情况（本例选择显示电场力和显示洛伦兹力）。

图5

本例的各个参数设置为M＝1kg，q＝1C，E＝10N／C，B＝5T，Vx＝v0＝1m／s，（此时，qE＞qv0B） 电场方向270°，磁场方向垂直向内。

（5）运行。设置完成后，单击“运行实验”按钮，得到如图6 所示的运动图像。学生可以根据动态的运动过程和轨迹结合理论上的数值分析得到粒子运动过程的具体细节，如：变化的洛伦兹力和不变的电场力大小之间呈周期性变化的关系在图中便一目了然；数值分析可以得出粒子在曲线的拐点处时洛伦兹力和电场力在与v 的垂直方向上的分量大小相等。通过模拟出来的粒子轨迹大大提高了学生理解的效率和深度。

对于问题分析时出现的若qE＜qv0B 时粒子会怎么样运动呢。可以重置各物理量的数值进行模拟。我们将电场强度E 设置为2N／C 或3．5N／C（此时qE＜qv0B），其他数值不变，分别得到如图7－1（E＝2 N／C 时）和图7－2（E＝3．5 N／C 时）所示的运动轨迹图像。

图6

图7－1

图7－2

物理是以实验为基础的一门科学，因此，在教学过程中若能辅助以呈现实验现象的方式会让学生更加清晰深刻地认识问题，而对于我们所学的知识及实验，展现起来受到客观条件的限制，而且一般情况下都是在理想化的情况下，所以，很难实现真实的实验现象。然而“仿真物理实验室”的利用可以为我们解决这些问题，模拟理想化的实验，让学生观察现象，加深理解的深度。

对“仿真物理实验室”这款软件，还有一些不足之处，在这里指出一点，希望有关技术人员可以解决，即如果在“动态显示高级设置”里可以显示运动对象在运动过程中，以运动对象为原点的自然坐标系上的内容就更好了。在本例中，如果可以呈现沿轨迹切线方向的加速度at和垂直于轨迹切线方向（法线方向）的加速度an会有助于学生对曲线中拐点物理意义处的理解。

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[2] 刘玫．金数龙仿真物理实验室介绍[J]．物理教学探讨,2004,22(225):44．

[3] 傅梁镇,陈德华．《仿真物理实验室》在物理教学中的应用[J]．实验教学与仪器,2004,(12):21－22．