电脑模拟与物理实验教学.docVIP

电脑模拟与物理实验教学 一、电脑模拟对于物理实验教学有广阔的前景 　　电脑辅助教育的功能分为四种，即电脑辅助教学、电脑管理教学、电脑模拟和电脑智力游戏。 　　电脑模拟，即利用模型来研究一个系统的行为特征，在物理教学中，可以用来模拟实验环境，以此代替或加强传统的实验手段。 　　由于电脑模拟不受空间限制，可由宏观到微观；不受时间限制，可将瞬间过程延缓，可将长时过程缩短。电脑模拟可将抽象内容具体化，又可从具体现象抽象出其本质特征；可将动态变成静态，利于观察，又可将静态变成动态，利于理解。电脑模拟还可将输给它的信息经过逻辑推理运算，输出结果，判定输入输出的关系，从而在输入信息与输出结果之间建立某种联系。 　　物理学是一门以观察和实验为基础的科学，学生对物理知识的学习，虽然是一种特殊的认识活动，但仍要以观察物理现象、进行物理实验作为思维的基础。电脑模拟恰好成为常规教学中难以观察的物理现象、难以进行的物理实验的替代者。 　　电脑模拟的上述特点，是其它辅助教学手段不可比拟的，因而具有广阔的发展前景。 二、电脑模拟在物理教学中的应用电脑模拟分为两种情况： 　　（一）电脑行为模拟所谓行为模拟，是告诉学生电脑程序中的模型，通过运行这个程序，不断地改变参数，得到一系列输出数据，然后通过考察输入输出的关系，弄清该模型所反映出的规律或特点。 　　牛顿第二定律，是物理教学中的重点和难点，得出牛顿第二定律的实验在气垫滑轨上进行。由光电门将沿块运动的时间传输到光电数字计时器，我们再将数据输入到电脑中（程序清单略），电脑进行一系列加速度的计算，并将加速度与产生加速度的力进行比较，将加速度与滑块质量进行比较，得到加速度与力、加速度与质量的关系，建立牛顿第二定律。学生观察实验过程和实验现象，接受电脑行为模拟的结果，免去繁琐的手计算过程，即节省了时间，提高了课堂效率，又突出加强了对牛顿第二定律的理解和记忆。注意，教学中要采用大屏幕监示器，将电脑处理结果清晰地呈现给学生，发挥电脑的优点。下述各电脑应用过程也要注意这一点。 　　　　　　　　　　　　 　　互成角度共点力合成的平行四边形法则，讲授时，由教师作二力合成的投影演示实验。小弹簧秤底板用有机玻璃制成，分别用一个小弹簧秤和两个小弹簧秤将橡皮条均拉到O点，如图（一）、图（二）所示。学生从投影屏上，读出图（一） 　　　　　　　　　　　　　　 弹簧秤上所示合力的数值，然后读出图（二）弹簧秤上两个分力的数值，并通过固定于投影仪复印在胶片上的量角器，读出二分力与水平线夹角值，将这些数据输入到电脑中（程序清单略），由电脑进行高分辨作图。 　　　　　　　　　　　　　　 　　由不同组实验数据，电脑在显示屏上先画出表示合力（F），两个分力（F1，F2）的有向线段，然后以表示两个分力的有向线段为邻边，作出平行四边形，并作出二分力所夹的对角线，将此对角线与表示合力的有向线段进行比较，如图（三）、图（四）所示电脑运行结果，平行四边形的对角线与表示合力的有向线段吻合得很好。从教学实践看，绝大多数结果都很准确，从而科学、可信地建立两个共点力合成的平行四边形法则。 　　　　　　　　　　　　 　　如果产生偶然操作误差，如图（五）所示，可找出误差原因，将实验重新进行。 　　电脑作图的精确性，减少了作图误差，使学生更好地接受实验结果。电脑作图，节省了时间，教师在课上可作多组演示实验，既丰富了学生感性认识，又突出了建立平行四边形法则的归纳法。注意，电脑作图很精确，实验设计也较科学，这就要求准确操作，准确读取数据，以得到正确的结果。 　　像斜抛运动，单摆的振动规律，光的折射定律等都可以将实验与电脑行为模拟结合真情行为进行教学。 　　（二）电脑模型化模拟 　　所谓模型化模拟，是由电脑根据程序中的模型输出一组表示系统行为的数据或图象，让学生通过观察和分析这些数据或图象，找出它们之间的关系，建立系统的模拟。 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　如开普勒三个定律物理图景的模拟程序清单（略）。首先，模拟的行星围绕太阳运动，但看不出规律，学生产生困惑，如图（六）。然后键控，使行星在运动的同时显示自己的运动轨迹，如图（七），行星的运行轨迹──椭圆便清楚地显示出来，不用解释，学生了然于胸。然后再画上坐标系，太阳呈现在椭圆轨道的一个焦点上，如图（八）所示。这样，清楚、明白地总结出开普勒第一定律。 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　开普勒第二定律如图（九），除显示出“相等时间，行星与太阳的联线扫过相等的面积”外，行星的运动速度也是真实的模拟、即“近地点运动的快，远地点运动的慢”。 　　　　　　　　　　　　　　　 　　开普勒三定律是由大量的观测数据总结出来的，我们利用电脑的模型化模拟，呈现给学生生动的图象，学生很容易理解和接受。 　　模型化模拟可细分成下面几种：