物理实验中的模拟法

◆刘亚杰

(吉林省吉林市第二十一中学校)

物理实验中的模拟法

◆刘亚杰

(吉林省吉林市第二十一中学校)

模拟法，是通过制作与设计与原现象、原型以及过程相类似的一种模型，并用制作出的模型来研究原现象、模型、过程的一种手段方法。该种方法，通常应用在物理的教学实验中，其可以再现转瞬即逝的物理和自然现象，可以将现象无限的进行放大或缩小，也可以对复杂的现象进行简化，同时也可以对无法观察内部的系统进行模拟。在物理实验教学中，模拟法不仅仅是一种单纯的教学手段，同时也是不可或缺的教学辅助工具。随着人类的不断进步以及科学技术的不断发展，模拟法在人类认识大自然，认识世界中起到了越来越重要的作用。

物理实验 教学模拟 模拟手段 模拟模型

从物理实验教学的角度讲，模拟法与类比法有着形式上的相似。其都是在实验室中将原型或者现象进行设计相似的模型，通过设计的模型，来对其原型或现象进行的分析与实验。在模拟的过程中，要根据其原型或原现象的本质特性，制作出相近似的模型，由此来研究原型，由于其原型与模型之间有着非常相似的特点，固模拟法可以分为两大类，即物理模型和教学模型。

一、直观模拟

由于物理概念的抽象化，学生单凭字面意思，很难理解其真正的含义，但是如果运用模拟的方法来将抽象的概念进行直观的表现出来，会让学生很容易理解。比如，在讲解缓冲装置的章节时，我们可以用一根比较细的线，下端悬挂上稍重一点的物体，将该物体提高到一定的高度，然后松手释放，物体下落到一定的距离，可将细线拉断，但是如果我们将细线的下端拴一段橡皮筋，再将物体悬挂在橡皮筋下方，然后将该物体提高到相同的高度，松手释放，结果细线没有被拉断，因为橡皮筋产生了缓冲。在讲解汽油机的工作原理时，通常是利用教学挂图或汽油机模型进行教学，学生往往缺乏感性认识，我们可以模拟汽油机火花塞点火、做功、取一个废旧小铁盒，另准备一支煤气电子点火枪，在铁盒底侧部开一个小孔，将点火枪头插入小孔，并四周密闭，不漏气，在盒内倒一些酒精(代替汽油)，并在盒底微微加热，然后用点火枪点火，接着就听到响声，盒盖被向上冲起。在一部透明的暗盒里安装一个电灯泡作光源，把一根弯曲的细玻璃棒(或有机玻璃棒)插进盒子里，让棒的一端面向光源，玻璃棒的下端就有明亮的光传出来，可以此来模拟光导纤维对光的传导作用。

二、对象模拟

对象模拟，就是在不打破被研究原型的规律以及自身特性的前提下，将其进行无限放大或无限缩小的模拟方法。对于对象模拟的设计理念，主要有两种：第一种，是对其被研究原型进行相关的解释以及内在特性所建立的模型；第二种，是为了突出被研究原型的主要特性以及本质，使其主要的特性更直接的表现出来所进行的模拟方法。比如在研究二极管的单向导电性时，笔者运用了该模拟方法，用出水的开关阀门以及打气筒的气门来进行模拟其单向性，这样不仅仅使学生加深了理解，更拓展了他们的想象空间。

三、物理相似模拟

在众多的科学领域中，往往直接去研究实际物体需要花费很大的人力物力财力，如果将其设计成类似的模型进行研究，将会事半功倍。在实际的研究中，比如用水来代替石油来进行其在某管道中的运动，将音响的模型放在风洞中来完成对其特性的测试，这些用模型来代替实物的实验，其结果与实际相差分毫，这种以模型来代替原型进行实验，其模型完全遵循与原型相同的物理规律，这种方法叫做物理相似模拟。在实际的物理教学中，物理相似模型的范例比比皆是，风洞实验，失重模型实验等。

物理课本中对于海市蜃楼的自然现象只是做了简单介绍，有条件的可以让学生观看视频录像，这种方式的教学根本满足不了学生的好奇心，要想让学生对该物理现象有更加深入的了解，只能是在实验室进行模拟实验，这样不仅仅可以增加学生对相关物理知识的深刻理解，更能引导学生探索大自然的奥秘，使学生认知自然，认知世界。首先，我们可以在三面透明的玻璃箱中放入若干白糖而不加搅拌，使糖水造成折射率岁深度而变化，而最大折射率出现在含糖较多的容器底部，以此来模拟大气折射率随高度而变化。当用氦氖激光光束从侧面射入此溶液时，即可看到光束弯曲现象。然后再作海市蜃楼模拟，使之起到突破时空限制，重视自然奇景之目的。

四、过程模拟

所谓过程模拟，指的是在具体的物理实验过程中，将其实验的过程简单化和理想化，在不影响被研究对象的前提下，根据简单和理想化的过程，而设计出的模型。由于过程模拟的过程简单，容易掌握。

对于物理教学中气体压强的分子论运动，一般都是以撑着的雨伞上面落得雨滴来讲述，如果这种大分子对器壁的碰撞，用豆粒或者细砂放在平衡天平上的任何一端，这种现象来类比分子运动论的观点，学生接受起来会更加容易。物理教学中的对于布朗运动的模拟，拿一根试管，里面放上半管铁屑，将试管直立和平放，用此方法来模拟铁棒的吸磁和退磁，这个实验也是过程模拟的案例。

在物理教学中的导电机理章节，虽然电子的运动容易理解，如果加以实际模拟，会更加加深学生对此机理的理解。对于曲线的运动，分解和合成是重点和难点，在对相关的实验进行演示后，教师可以利用手边的物体，比如粉笔或者油笔，对此进行平抛运动的演示，首先，将手中的物体在身体前上方以匀速的运动进行，到某一个点上再以加速度的方式从上向下运动，以此来模拟平抛运动，对于学生来讲，看到后会更容易理解，对于教师来讲，在各个环节各个点都可以进行不同的分析。

五、仪器模拟

在一些仪器设备中，不少的仪器设备也是通过物理的模拟法所发明。气泡室，其发明者也是在一次酒会上，他注意到，啤酒杯里的气泡总是从容器的底部往上升，由此而发明的气泡室。云室，其发明者的灵感来源于气象站，在气象站，发明者观察到，当太阳的光线照射到环绕山顶上的云彩时，其会发出颜色各异的光线，这一物理现象，引起了发明者的兴趣，发明者根据这些现象的特征，在实验室进行了模拟实验，最终发明了云室。

六、模拟放大

在实际的物理教学中，由于一些物理概念很抽象，导致了学生在学习上困难，不能从概念上理解和观察其内部的状态和规律，抽象的事物往往会阻碍学生的思维，所以我们可以采用物理的模拟放大法，对物理概念进行模拟放大，根据其本质的特性，从空间和时间上对其进行放大，从而能够最直观，最形象地展现在学生面前。

在力的分解章节教学中，其要点就是对斜面上物体的重力进行分析，由于物体的重力是抽象，不易理解的概念，对其进行分解更是难上加难，在实际的教学过程中，笔者用毛球来讲物体进行放大，观察其运动轨迹，用分层次的海绵纸来模拟斜面，其毛球在海绵纸上的运动，以及海绵纸的被压状态，学生可以观察的非常清楚。

在多普勒效应章节的教学中，由于是波源与观察者之间存在着相对的运动，所以使得观察者感受到的频率会有所变化，根据其特点：两者的距离越近，观察者所接受到的频率就会越大，反之，观察者所接收到的频率就会越小。多普勒效应仅仅通过教师的讲解，学生未必能真正的理解。如果在规定的时间内，将观察者身边经过的人数来模拟放大声波，学生亲自参与到其中，这不仅仅活跃了课堂气氛，而且加深了学生对此概念的理解。

近些年，在物理的教学过程中，模拟法已经发挥了越来越重要的作用，该方法有其独特的一面，不仅能够开拓学生的视野，活跃课堂气氛，还能够激发学生的求知欲，最重要的是在物理教学的重点难点方面发挥着不可估量的作用。

[1]姚晓春.研究型课程的学科支持[J].现代教育研究，2013.

[2]刘红.教育学[M].北京：人民教育出版社，2010.