物理實驗中的摸擬法

物理實驗中的摸擬法 浙江臨海師范 李宏遠 11月7日
　　模擬法是通過設(shè)計與原型（自然現(xiàn)象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規(guī)律的方法。它隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，是人類認識世界和改造世界最基礎(chǔ)的方法之一。此法應(yīng)用于物理教學(xué)可使事過境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過程在實驗室重視，可將現(xiàn)象簡化或進行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。

　　物理實驗中的模擬法，根據(jù)其特點主要主功能，并結(jié)合本人教學(xué)實踐，分為以下四類。

一、 對象模擬

　　用放大或縮小了的，相似的，而又能反映事物某方面規(guī)律的客觀實體來代替研究對象的方法叫對象模擬。

　　對象模擬的設(shè)計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質(zhì)特征，摒棄次要的非本質(zhì)因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如物理中的多種理想模型，以及天體運動模型，微觀結(jié)構(gòu)等幾何相似模型。在研究二極管的單向?qū)щ娦詴r，我在實驗基礎(chǔ)上，運用對象模擬法，用自行車氣門和進水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發(fā)了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍球（或地球儀）來模擬地球自轉(zhuǎn)，然后將紅墨水從上往下滴落在轉(zhuǎn)動的“地球”表面。此時即可明顯看到水痕西邊呈擴散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現(xiàn)象。

二、 物理相似模擬

　　在科學(xué)研究和工程技術(shù)的許多領(lǐng)域中，人們常常希望利用模擬試驗來代替對實際現(xiàn)象的研究，以便使我們可能在一定程度上預(yù)言某些在目前尚無法達到的條件下出現(xiàn)的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動，把設(shè)計好的收音機縮小成模型放在風(fēng)洞中試驗其特性等。其特點即模擬與原型遵循同樣的物理規(guī)律，故稱為物理相似模擬。

　　物理實驗教學(xué)中的“失重和超重模擬實驗”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場中的平衡進行“密立根油滴實驗”的模擬，以及十分壯觀的“可樂瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。

　　海市蜃樓是一種罕見的自然現(xiàn)象，教學(xué)中一般只作介紹，至多不過看看錄像，不能滿足學(xué)生的好奇心和求知欲，如果能在實驗室加以模擬，則不僅可激發(fā)學(xué)生探求自然奧秘的濃厚興趣，還可加深對有關(guān)知識的理解。首先，我們可以在三面透明的玻璃箱中放入若干白糖而不加攪拌，使糖水造成折射率隨深度而變化，而最大折射率出現(xiàn)在含糖較多的容器底部，以此來模擬大氣折射率隨高度而變化。（如圖1）當(dāng)用氦氖激光光束從側(cè)面射入此溶液時，即可看到光束彎曲現(xiàn)象。然后再如圖2作海市蜃樓模擬，使之起到突破時空限制，重視自然奇景之目的。圖2中（1）液化汽灶，（2）鐵板帶沙，（3）半透明紙，（4）臺燈，（5）小景物，（6）蜃景。

三、 過程模擬

　　把具體物理過程純粹化、理想化，并根據(jù)其本質(zhì)特征而設(shè)計的一種模擬叫過程模擬。其特點是過程簡化，易于控制。

　　氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘面來類比。這種大量分子對器壁連續(xù)碰撞的過程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現(xiàn)象來模擬，就顯得直觀生動了。布朗運動的模擬，伽爾頓板，裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模擬的成功例子。

　　電子技術(shù)中半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，電子運動易理解，空穴導(dǎo)電則抽象，課堂教學(xué)中如用“空位置”的運動來作一現(xiàn)場過程模擬，無疑會使學(xué)生茅塞頓開。分析曲線運動的思想方法——運動的分解和合成是個難點，我以平拋運動為突破口，在演示有關(guān)實驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走（模擬水平勻速直線運動）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運動，既簡單明了，又便于分析。

　　熱學(xué)中的統(tǒng)計方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學(xué)時間的限制，怎樣從個別事件的無規(guī)律過渡到大量事件的有規(guī)律，成了模擬實驗的設(shè)計難點，在教學(xué)中采用全同等可能過程，在不同時刻的空間比較可以等效變換成同一時刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學(xué)同時擲幣若干次，然后統(tǒng)計比較下列情況“國徽”朝上的次數(shù)：（1）某同學(xué)，（2）某小組同學(xué)，（3）全班同學(xué)。從而使學(xué)生既突破了難點又受到一次生動的方法論教育。

四、 模擬放大

　　在物理概念和規(guī)律教學(xué)中，學(xué)生往往對那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的規(guī)律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大正是采用空間放大和時間放大的方式，抓住本質(zhì)特征，展現(xiàn)其生動直觀形象，從而促進思維順利進行。

　　液體表面張力實驗中的“水面浮針”，學(xué)生感到新奇，但在分析受力時往往錯誤認為表面張力與重力平衡，經(jīng)指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒有作用在針上。究其原因是學(xué)生在形成概念過程中缺乏直觀材料。為此，我用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒有作用在針（或棒）上，作用在針上的是因液體表面張力而產(chǎn)生的液面對針的支持力。通過令人信服的實驗還使學(xué)生進一步明確：表面張力的作用是保持液面不分裂。

　　力的分解，關(guān)鍵是根據(jù)力產(chǎn)生的效果來確定分力的方向。斜面上物體的重力的分解和三角支架問題是其中的典型（如圖3），我在教學(xué)中用長毛板刷來模擬放大物體的運動趨勢，用吹塑紙模擬斜面，則斜面被壓和物體向下滑動趨勢一目了然。

　　新編中師物理教材中增加了多普勒效應(yīng)。要觀察由于聲源和觀察者的運動而使接收到的聲音頻率發(fā)生的變化顯然比較困難，但用單位時間內(nèi)從觀察者身旁通過的人數(shù)來模擬放大聲波的波數(shù)（即頻率），并讓學(xué)生實際表演一下，確能使學(xué)生在輕松愉快的氣氛中加深對此現(xiàn)象的理解。

　　綜上所述，模擬法作為科學(xué)研究中的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實驗教學(xué)中日益受到人們的重視。這種方法，必將在開拓設(shè)計思路，激發(fā)學(xué)生興趣，突破教學(xué)難點等方面發(fā)揮其獨特作用。

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