電磁感應(yīng)物理仿真實(shí)驗(yàn)的制作與實(shí)現(xiàn)

【摘要】在計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中，學(xué)生需要的不僅僅是一些墨守成規(guī)的演示動(dòng)畫。利用Flash的豐富表現(xiàn)力和強(qiáng)大ActionScript交互功能開發(fā)出的仿真實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生感覺到真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的存在，并與之交互。以電磁感應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)為例，來說明Flash在制作物理仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Flash，元件，場(chǎng)景，仿真實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【論文編號(hào)】1009—8097（2006）06—0069—04

目前網(wǎng)絡(luò)上大多數(shù)物理課件是用Flash制作開發(fā)的。然而僅僅通過Flash自身的畫圖工具所畫出的物理模型比較簡(jiǎn)單，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的儀器差距大，略顯稚嫩。并且課件往往是通過演示動(dòng)畫的形式表現(xiàn)出來的，交互性不強(qiáng)。因此這樣的課件在應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)中時(shí)，效果并不理想。

仿真實(shí)驗(yàn)，就是創(chuàng)造一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中每個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，進(jìn)行各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求和目的[1]。本文以電磁感應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)為例，用Flash設(shè)計(jì)和制作其物理仿真實(shí)驗(yàn)。

一、電磁感應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是當(dāng)閉合導(dǎo)體回路中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中有電流的產(chǎn)生。根據(jù)磁通量公式Ф=BSsinа，當(dāng)B、S和а發(fā)生變化時(shí)，磁通量Ф就發(fā)生變化。在電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，直徑較大的線圈（副線圈）與檢流計(jì)連接，將條形磁鐵的N極與S極分別插入或拔出副線圈，副線圈的磁通量發(fā)生變化，閉合回路中有電流產(chǎn)生，并且隨著條形磁鐵移動(dòng)速度的變化，回路中產(chǎn)生的電流有大有小，檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)反映了電流的變化。將條形磁鐵換成有導(dǎo)線纏繞的直徑較小的線圈（原線圈），將原線圈插入或拔出副線圈，再次觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況。

當(dāng)學(xué)生進(jìn)入電磁感應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)后（見圖1），可以看到屏幕的左側(cè)是導(dǎo)航部分，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟和退出5部分。右側(cè)是工作區(qū)，為學(xué)生提供操作實(shí)驗(yàn)儀器的界面。

該實(shí)驗(yàn)最重要的是實(shí)驗(yàn)步驟部分，當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)步驟后，可以觀察到右側(cè)出現(xiàn)的是一個(gè)實(shí)驗(yàn)桌，實(shí)驗(yàn)桌的柜子里裝著該實(shí)驗(yàn)需要的各種儀器，且桌門是關(guān)閉的。實(shí)驗(yàn)步驟主要分為以下幾個(gè)部分：

步驟一：放置儀器。單擊放置儀器按鈕（見圖1中①），當(dāng)學(xué)生單擊桌門（即打開桌門）后，桌門打開，桌面上給出儀器位置的提示，通過鼠標(biāo)拖動(dòng)儀器將其放到指定的位置。

步驟二：連接導(dǎo)線。單擊連接導(dǎo)線按鈕（見圖1中②），儀器的接線頭處出現(xiàn)閃爍的提示，學(xué)生單擊提示后，該提示消失，當(dāng)學(xué)生單擊完兩處提示后，位于兩提示之間的導(dǎo)線連接起來。依此為例，學(xué)生按照提示將不同的儀器通過導(dǎo)線一步一步連接起來。

步驟三：條形磁鐵。單擊條形磁鐵按鈕（見圖1中③），學(xué)生可通過上下拖動(dòng)磁鐵，來觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)。

步驟四：原線圈。單擊原線圈按鈕（見圖1中④），當(dāng)閉合開關(guān)后，上下拖動(dòng)原線圈或左右拖動(dòng)滑動(dòng)變阻器上的滑塊，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)。

二、電磁感應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)的制作

（一）元件的制作

1、準(zhǔn)備工作

在仿真實(shí)驗(yàn)中，為了使實(shí)驗(yàn)儀器最大程度地體現(xiàn)真實(shí)感，

可以用3D max來制作模型。制作出來的儀器模型以*.PNG格式導(dǎo)出，然后再把圖片導(dǎo)入到Flash當(dāng)中。在將儀器導(dǎo)出為圖片之前，一個(gè)值得注意的地方是，在3D的編輯區(qū)中把所有用到的儀器都按照在Flash中顯示的角度來擺放，這樣在Flash導(dǎo)入這些圖片后，能保證儀器之間有正確的視角。在電磁感應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)中，包括開關(guān)、滑動(dòng)變阻器等儀器，開關(guān)和滑動(dòng)變阻器是可調(diào)的，即開關(guān)的閘刀和滑動(dòng)變阻器的滑塊是可以拖動(dòng)的，因此必須將閘刀和滑塊分別單獨(dú)導(dǎo)出為一幅圖片。

2、制作元件

把從3D導(dǎo)入的圖片轉(zhuǎn)換成影片剪輯元件。

在制作“連接導(dǎo)線”元件的時(shí)候，可以先把儀器放到場(chǎng)景中指定的位置，然后再參照儀器的位置畫出導(dǎo)線。

在制作“桌門”元件的時(shí)候，由于它在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中能響應(yīng)鼠標(biāo)按鍵而產(chǎn)生開關(guān)門的動(dòng)作，所以，首先應(yīng)該把它做成按鈕類型，然后在把該按鈕放到新建的影片剪輯中。在新的影片剪輯中，第一幀制作出關(guān)門狀態(tài)，第二幀制作出開門狀態(tài)。分別選中兩幀，在兩個(gè)幀動(dòng)作窗口中加入stop();語句。

選中第一幀場(chǎng)景上的門按鈕，在動(dòng)作-按鈕窗口中加入：

on(release){

gotoAndPlay(2);

}

選中第二幀場(chǎng)景上的門按鈕，在動(dòng)作-按鈕窗口中加入：

on(release){

gotoAndPlay(1);

}

（二）場(chǎng)景的制作

在Flash中通過制作四個(gè)場(chǎng)景來分別呈現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的“放置儀器”、“連接導(dǎo)線”、“條形磁鐵”和“原線圈”四步驟。

1、場(chǎng)景1——放置儀器的制作

打開庫面板，把用到的元件拖放到場(chǎng)景中。首先將“桌子”元件從庫中拖出，然后依次拖出“變阻器”、“電源”、“開關(guān)”、“檢流計(jì)”、“副線圈”和“原線圈”等6元件，最后拖出的是“桌門”元件。拖出的順序不同，從而保證儀器正常的重疊關(guān)系。選中元件，打開屬性面板，為每一個(gè)元件命名合適的名字。

選中“桌門”元件，在屬性面板中，選中顏色下拉框中的Alpha，將Alpha值設(shè)為80%，這樣桌子門就變成半透明的，從而產(chǎn)生玻璃的效果。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，“開關(guān)”等6儀器是可以拖動(dòng)的。即單擊儀器后，儀器跟隨鼠標(biāo)移動(dòng)，釋放鼠標(biāo)后，儀器停留在鼠標(biāo)停留的位置。還可以判斷儀器是不是已經(jīng)放在原來設(shè)計(jì)好的一個(gè)區(qū)域，如果是，則放置儀器到桌面指定的位置，否則，儀器返回到拖動(dòng)前的位置。為了實(shí)現(xiàn)此種效果，可以在各儀器元件中的動(dòng)作面板中加入以下語句，以“開關(guān)”元件為例：

on(press) {

startDrag(“”);

}

on(release){

stopDrag();

with(_root.kaiguan){

if (_xx2 _ yy2){

setProperty(“”，_x，x’);

setProperty(“”，_y，y’);

}

}

2、場(chǎng)景2——連接導(dǎo)線的制作

新建場(chǎng)景2，把庫中的各導(dǎo)線元件拖放到場(chǎng)景中，依照導(dǎo)線的形狀將導(dǎo)線和各個(gè)儀器元件連接起來。由于該實(shí)驗(yàn)在跳轉(zhuǎn)到場(chǎng)景2伊始，導(dǎo)線是看不到的，因此選中場(chǎng)景2的第一幀，在幀-動(dòng)作面板中加入：setProperty(“_ root.daoxian”，_visible，0);語句。每條導(dǎo)線都需要setProperty()一次。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)者是通過接線頭處的提示來完成連接導(dǎo)線的（如圖2），學(xué)習(xí)者分別點(diǎn)擊接線頭處閃爍的提示按鈕后，按鈕消失，當(dāng)連續(xù)點(diǎn)擊完兩處提示按鈕后，導(dǎo)線顯現(xiàn)出來。從而就產(chǎn)生了通過鼠標(biāo)單擊接線頭，而將兩儀器用導(dǎo)線連接起來的效果。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，可以通過創(chuàng)建三個(gè)關(guān)鍵幀來實(shí)現(xiàn)。如圖3。

在第一幀中，可以定義兩個(gè)變量。Var a=0; b=0; 在第三個(gè)幀的幀-動(dòng)作面板中加入：

if(_root.a==1_root.b==1){

setProperty(“_root.daoxian”，_visible，1)；

gotoAndPlay(3);

}else{

gotoAndPlay(1)；

}

然后在選中幀中的第一個(gè)接線頭處的提示按鈕，在動(dòng)作-按鈕面板里加入：

on(release){

setProperty(“”，_visible，0);

_root.a=0;

}

選中第二個(gè)接線頭處的提示按鈕，在動(dòng)作-按鈕面板里加入：

on(release)

{setProperty(“”，_visible，0);

_root.b=0;

}

其他的導(dǎo)線都可以依照此種方式，從而一步一步地顯示出來。

3、場(chǎng)景3——條形磁鐵的制作

在此場(chǎng)景中，學(xué)生將磁鐵插入副線圈的孔中，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況。再將磁鐵拔出，觀察檢流計(jì)的指針。改變磁鐵插入與拔出的速度，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)變化。將磁鐵的兩極調(diào)轉(zhuǎn)后，再插入與拔出副線圈的孔，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)變化。

條形磁鐵是上下移動(dòng)的，因此可以在條形磁鐵元件的動(dòng)作面板里加入：

on(press){

startDrag(“”，x，y1，x，y2);

}

on(release){

stopDrag();

}

x為條形磁鐵在場(chǎng)景中的x坐標(biāo)，由于條形磁鐵只是上下移動(dòng)，因此條形磁鐵在移動(dòng)前后的x坐標(biāo)是不變的，只是前后位置的y坐標(biāo)發(fā)生了改變。

檢流計(jì)指針的變化是通過在幀動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。建立三個(gè)關(guān)鍵幀（如圖4），在第一個(gè)幀中，定義變量a來記錄條形磁鐵拖動(dòng)過程中位置的變化。定義變量y來記錄滑塊上一次的y坐標(biāo)。在第三個(gè)幀的動(dòng)作面板里加入：

_root.a=_root.huakuai._y-y;

y=_root.huakuai._y;

if(k==0{

setProperty(“_root.zhizhen”，_rotation，_root.a);

}

gotoAndPlay(2);

在轉(zhuǎn)變條形磁鐵的兩極后，檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的變化與條形磁鐵沒轉(zhuǎn)換兩極時(shí)正好是相反的，因此為實(shí)現(xiàn)此種情況，只需把第三幀的幀動(dòng)作面板里第一條語句改成：_root.a=y-_root.huakuai._y;就行了。

4、場(chǎng)景4——原線圈的制作

在該場(chǎng)景中，學(xué)生閉合開關(guān)后，將原線圈插入副線圈的孔中，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)情況。再將原線圈拔出，觀察檢流計(jì)的指針。改變?cè)€圈插入與拔出的速度，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)變化。拖動(dòng)滑動(dòng)變阻器上滑塊的位置，觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)變化，改變拖動(dòng)滑塊的速度，再次觀察檢流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)變化。（見圖5）

首先可以通過設(shè)定一個(gè)變量k來記錄開關(guān)的閉合。初始化k=1，即開關(guān)初始化是打開的。然后在開關(guān)按鈕的動(dòng)作面板上加入：

on(release){

if(k==0){

setProperty(“”，_rotation，20);

k=0;

} else{

setProperty(“”，_rotation，1);

k=1;

}

在實(shí)驗(yàn)中，原線圈是上下移動(dòng)的，原線圈與場(chǎng)景3中的條形磁鐵的移動(dòng)是一樣的，因此原線圈元件的動(dòng)作面板里語句同條形磁鐵。滑動(dòng)變阻器上的滑塊是左右移動(dòng)，因此可以在滑塊的動(dòng)作面板里加入：

on(press){

startDrag(“”，x1，y，x2，y);

}

on(release) {

stopDrag（）；

}

檢流計(jì)中指針元件的動(dòng)作面板里的語句與場(chǎng)景3中檢流計(jì)指針元件的動(dòng)作面板里的語句相同，在此不在重復(fù)。

三、小結(jié)

通過此種方法制作的仿真實(shí)驗(yàn)，不僅為學(xué)習(xí)者提供了真實(shí)的操作界面，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的各種功能，而且為學(xué)習(xí)者提供了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的仿真，做到了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)再現(xiàn)。在實(shí)際的教學(xué)過程中，運(yùn)用此種仿真實(shí)驗(yàn)使得原本平淡的實(shí)驗(yàn)課陡添幾分生機(jī)和活力，讓實(shí)驗(yàn)課上單調(diào)可陳的實(shí)驗(yàn)步驟說明變得活力十足。雖然仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，然而通過使用該仿真實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的橫向遷移。運(yùn)用此種仿真試驗(yàn)達(dá)到了比較理想的教學(xué)效果，因此受到教師和學(xué)生的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鑫.肖化.吳先球.基于Flash的遠(yuǎn)程仿真實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，(3):1