簡析中學物理模擬實驗教學

模擬實驗是一種實物實驗，但實驗中所用的實物并不是真正的研究對象，實驗中觀察到的現象、測得的數據和結論，要經過推理、想象、換算才能適用于真正的研究對象。

—、物理模擬實驗教學的必要性

物理學所研究的對象，大至宇宙、星系……小至分子、原子、核子、中微子……物理變化所用時間，長則超過人類歷史，短則遠非一瞬間所能形容。物理實驗室的大小、實驗時間、實驗手段、儀器裝置都有一定的限制，不可能在實驗室內重現所有的物理現象。模擬實驗就是把這些過大或者過小的研究對象，過長或者過短的變化時間，或人的感官無法直接感知的物理現象變換成實驗室內可容的，人們可觀察的，可重復的實驗來研究。

中學物理課程中，也安排了不少模擬實驗。例如：學生分組實驗中《靜電場等勢線的描繪》；演示實驗中的《布朗運動的演示》、《橫波、縱波演示》，《鐵磁性物質被磁化的演示》、《鏈式反應演示》等。

二、明確模擬實驗的目的

在中學物理模擬實驗教學中，應強調模擬實驗和研究對象的共同點，也就是強調模擬實驗的目的。引導學生在實驗或觀察實驗時，把注意力集中于這一點。例如，做《靜電場中等勢線描繪》時強調：通過兩等量、異號點電荷在平面上的等勢線形狀，和點狀電源兩極在均勻導電紙上形成的穩恒電流場的等勢線形狀相似。

三、分析模擬實驗的局限性，避免錯覺

模擬實驗在達到預想目的后，有必要深入分析它的不足之處。因為模擬實驗只能模擬研究對象的某些特性，而不可能完全顯示研究對象的性質。例如，帶有等量異號的點電荷電場的等勢面是一系列包圍著點電荷的曲面，而導電紙上的穩恒電流只模擬了一個平面上的等勢線；《布朗運動演示》模擬實驗器中的小鐵塊無法懸浮，只能受到數量有限的鋼珠碰撞，在平面上做無規則運動，而懸浮水中的花粉顆粒則受到數量較多的水分子從各個方向的碰撞，運動軌跡是無規則的空間曲線。分析這些不足之處是非常必要的，這樣才能避免由于模擬的不完善而引起錯覺。

四、分析模擬實驗是物理學的一種重要實驗手段

例如，靜摩擦力的方向判斷是教學中的一個難點，原因是有些情況下，物體相對運動趨勢不明顯，學生很難想象。我們用接觸層模擬放大的方法使學生明顯地看到不同情況下接觸層的形變，使問題迎刃而解。模擬方法是：在平板上鋪放一條毛巾(增大摩擦)，再把帶有長毛的木刷B放在毛巾上，且使長毛和毛巾接觸。然后通過彈簧秤沿水平方向拉木刷B(如圖1），可明顯看到：因木刷和支承面之間有相對運動趨勢，長毛就發生形變。由形變和支承情況可判斷出靜摩擦力的方向。拉力加大，無相對運動前，長毛形變加大，說明靜摩擦力大小隨外力的變化

圖1 圖2

而變化。如圖2演示，從圖中可看出：用力F拉B在水平面上做勻速直線運動時，A、B之間無摩擦力。B和地面之間有滑動摩擦力。

模擬實驗往往可用簡單易得的器材完成，故可鼓勵學生自己思考，動手設計，制作模擬小實驗。例如，經教師指導，學生設計了：（1）模擬氣體壓強的實驗裝置(圖3），小鋼珠(或者砂粒)下落沖擊中間略為凸起的平板，彈簧被壓縮。（2）圖4中，套在光滑桿上并用細線連接的小球可模擬在萬有引力作用下，雙星圍繞共同質心旋轉。

圖3 圖4

在教學中，還要讓學生認識到模擬實驗是物理學的一種重要實驗手段。彈性球運動和碰撞的模擬，使我們找到了氣體分子的運動的規律；水中懸浮模擬太空失重為研究失重狀態物理現象和培訓宇航員創造了條件。

模擬實驗能將人們無法直接感知的物理現象轉換到實驗室內，使之重現，這些實驗現象明顯、直觀、簡單、可靠、富有啟發性。教師應努力創造條件，做好模擬實驗。通過學生自己動手動腦的實踐活動，使他們的觀察能力、思維能力、實驗操作能力都得到鍛煉或提高。

(責任編輯 易志毅）

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