“仿真物理实验室”在高三电学实验复习中的应用

刘东新

(江苏省溧阳市光华高级中学,江苏 溧阳 213300)

·现代教育技术·

“仿真物理实验室”在高三电学实验复习中的应用

刘东新

(江苏省溧阳市光华高级中学,江苏 溧阳 213300)

本文介绍了一个专为物理教学和研究开发的软件——“仿真物理实验室”在电学实验教学中的应用，从模拟实物连线替代、情景再现、化抽象为具体等多角度，展现这个操作简便的软件为学生学习物理电学实验提供的帮助.

仿真物理实验室;电学实验;复习

笔者在刚接触“仿真物理实验室”软件时,只在平抛运动、带电粒子在复合场中的运动等新课教学中运用过,取得了不错的效果.但是在高三复习中,似乎沉浸于习题的操练而遗忘了这个软件.由于学校多媒体设备的更新,笔者加强了多媒体的运用,发现仿真物理实验室其实可以在更大范围得到应用,因此收益颇多,在此做一个分享.

1 实物连线以及滑动变阻器初始位置的确认

例1：如图1所示器材为某同学测绘额定电压为2.5V的小灯泡的I-U特性曲线的实验器材.

图1

(1) 根据实验原理,用笔画线代替导线,将图中的实验电路图连接完整.

(2) 开关S闭合之前,图中滑动变阻器的滑片应该置于________(选填“A端”、“B端”或“AB中间”).

图2

解析:利用仿真实验室软件,可以让学生自己用鼠标在电脑上连线,如图2所示，完毕后闭合开关,改变滑动变阻器触头,通过两个仪表的示数变化情况就可以判断连线是否正确.

图3

第(2)问对学生是个难点,有些学生受到初中学习的影响,以为分压部分接入的滑动变阻器一开始应该阻值最大,这样才能保护小灯泡和电表.我们可以让滑动变阻器置于最左端、最右端两种情况下显示电流,并结合两个仪表的示数,帮助学生理解这个难点.如图3所示,当滑动变阻器置于最左端时,与分压部分并联的滑动变阻器部分阻值最大,而此时通过小灯泡电流实际上最大,因为小灯泡已经发光而且电压表示数已经满量程,显然这样的放置位置是不对的.而当滑动变阻器置于最右端时,与分压部分并联的滑动变阻器阻值为零,而此时小灯泡不发光,电压表和电流表示数也都是零,符合＂电压和电流从零开始调节＂这样的要求,可以看出这个位置才是闭合开关前应该放置的位置.

2 直观显示实验器材选择的结果

例2：在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,使用的小灯泡标有“4V 2W”的字样,其他可供选择的器材有:

A. 电压表V1(量程3V,内阻20kΩ)

B. 电压表V2(量程15V,内阻60kΩ)

C. 电流表A1(量程3A,内阻0.2Ω)

D. 电流表A2(量程0.6A,内阻1Ω)

E. 滑动变阻器R1(0～1000Ω,0.5A)

F. 滑动变阻器R2(0～10Ω,1A)

G. 学生电源E(6V)

H. 开关S及导线若干

(1) 实验中电压表应选用________,电流表应选用________,滑动变阻器应选用.

(2) 画出实验所用的电路图；

解析:学生对于电压表和电流表的选择没什么困难.在选择滑动变阻器时,我们一般是通过理论分析,说明选择阻值较小的滑动变阻器在滑动过程中电压表、电流表的示数变化更平缓,更易于操作.但总有些同学对于这个＂更易于操作＂不理解,也不明白这个读数怎么就更平缓了？

图4

通过“仿真物理实验室”,在其他仪器不变的情况下,只改变滑动变阻器的阻值,在滑动触头滑过前面90%的位置时,我们可以看到图4中电流表和电压表示数变化很小,再往后滑时,两个电表的示数变化非常大.也就是说采用这个滑动变阻器,那么两个电表的示数变化主要集中在最后的10%那段,这对采集数据带来了很大的麻烦,因为稍微滑动一点，两个电表的示数变化幅度很大.而在图5中，在滑动触头逐渐滑动时,两个仪表的示数也随之缓缓变化,我们可以看到:在滑动变阻器滑过60%时,两个仪表的读数已经非常大了,尤其是电压表都已超过三分之二量程.这样我们就可以滑动一段读一组数据,从而采集多组数据,为后面的作图提供方便.

图5

3 利用数据说明电流表内接法、外接法的误差

如图6所示,采用的是电流表外接法,为说明“仿真物理实验室”的高度模拟性,以下两幅图的连线就随性一点,使其更符合我们日常画图习惯.先从理论进行分析,可以得出小灯泡的测量值要比真实值偏小.那么实际上是这样吗？我们可以应用“仿真物理实验室”,显示仿真实验中小灯泡的参数,并算出它的阻值为8.33Ω,这是真实值.同时我们还可以从电流表显示的0.31A和电压表显示的2.50V,算出它的阻值为8.06Ω,这是测量值.相比之下,可以发现采用外接法测出的阻值的确要小于真实值.

图6

如果采用电流表内接法呢？如图7所示,采用电流表内接法后,略微调整滑动变阻器的位置,以保证小灯泡的阻值还是刚才的8.33Ω不变.此时电流表示数为0.30A,电压表示数为2.80V,算出它的阻值为9.33Ω.这是采用电流表内接法的测量值，此时测量值大于真实值,通过仿真实验,验证了理论分析得出的结论,并对学生进一步理解电流表内接、外接形成的误差起到了加深印象的作用.

图7

这组实验得到的数据,不仅仅显示了内接法、外接法的误差,还能非常直观地显示哪种接法的误差更大一些.电流表外接法测得的数据是8.06Ω,电流表内接法测得的数据是9.33Ω,相比于真实值8.33Ω,很明显电流表内接法的误差要大得多.因此本实验测量电路部分应该采用电流表外接法.在讲解这个知识点时,我们正好借此解决以下问题:测量电路部分究竟是采用电流表内接还是外接？依据是什么？

“仿真物理实验室”的应用还不止于此,对于电路故障分析、电表的改装等等也都有很好的应用.“仿真物理实验室”能够在教学中很好的展示“理想化模型”，电学实验在很多情况下会遇到电阻发热、电流过大导致仪表损坏，还有地磁场等因素的干扰,导致电表数据产生误差.而且高三教学更偏重于理论分析,“仿真物理实验室”既能够理想化地展示电学实验结果,又能够生动地说明现象,增加习题教学的情境感.

[1] 廖伯琴.物理教学研究与案例[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 刘东新.带电粒子在复合场中运动问题的引申思考[J].物理之友,2012,(4).