物理實驗中的模擬法

◆劉亞杰

(吉林省吉林市第二十一中學校)

物理實驗中的模擬法

◆劉亞杰

(吉林省吉林市第二十一中學校)

模擬法，是通過制作與設計與原現象、原型以及過程相類似的一種模型，并用制作出的模型來研究原現象、模型、過程的一種手段方法。該種方法，通常應用在物理的教學實驗中，其可以再現轉瞬即逝的物理和自然現象，可以將現象無限的進行放大或縮小，也可以對復雜的現象進行簡化，同時也可以對無法觀察內部的系統進行模擬。在物理實驗教學中，模擬法不僅僅是一種單純的教學手段，同時也是不可或缺的教學輔助工具。隨著人類的不斷進步以及科學技術的不斷發展，模擬法在人類認識大自然，認識世界中起到了越來越重要的作用。

物理實驗 教學模擬 模擬手段 模擬模型

從物理實驗教學的角度講，模擬法與類比法有著形式上的相似。其都是在實驗室中將原型或者現象進行設計相似的模型，通過設計的模型，來對其原型或現象進行的分析與實驗。在模擬的過程中，要根據其原型或原現象的本質特性，制作出相近似的模型，由此來研究原型，由于其原型與模型之間有著非常相似的特點，固模擬法可以分為兩大類，即物理模型和教學模型。

一、直觀模擬

由于物理概念的抽象化，學生單憑字面意思，很難理解其真正的含義，但是如果運用模擬的方法來將抽象的概念進行直觀的表現出來，會讓學生很容易理解。比如，在講解緩沖裝置的章節時，我們可以用一根比較細的線，下端懸掛上稍重一點的物體，將該物體提高到一定的高度，然后松手釋放，物體下落到一定的距離，可將細線拉斷，但是如果我們將細線的下端拴一段橡皮筋，再將物體懸掛在橡皮筋下方，然后將該物體提高到相同的高度，松手釋放，結果細線沒有被拉斷，因為橡皮筋產生了緩沖。在講解汽油機的工作原理時，通常是利用教學掛圖或汽油機模型進行教學，學生往往缺乏感性認識，我們可以模擬汽油機火花塞點火、做功、取一個廢舊小鐵盒，另準備一支煤氣電子點火槍，在鐵盒底側部開一個小孔，將點火槍頭插入小孔，并四周密閉，不漏氣，在盒內倒一些酒精(代替汽油)，并在盒底微微加熱，然后用點火槍點火，接著就聽到響聲，盒蓋被向上沖起。在一部透明的暗盒里安裝一個電燈泡作光源，把一根彎曲的細玻璃棒(或有機玻璃棒)插進盒子里，讓棒的一端面向光源，玻璃棒的下端就有明亮的光傳出來，可以此來模擬光導纖維對光的傳導作用。

二、對象模擬

對象模擬，就是在不打破被研究原型的規律以及自身特性的前提下，將其進行無限放大或無限縮小的模擬方法。對于對象模擬的設計理念，主要有兩種：第一種，是對其被研究原型進行相關的解釋以及內在特性所建立的模型；第二種，是為了突出被研究原型的主要特性以及本質，使其主要的特性更直接的表現出來所進行的模擬方法。比如在研究二極管的單向導電性時，筆者運用了該模擬方法，用出水的開關閥門以及打氣筒的氣門來進行模擬其單向性，這樣不僅僅使學生加深了理解，更拓展了他們的想象空間。

三、物理相似模擬

在眾多的科學領域中，往往直接去研究實際物體需要花費很大的人力物力財力，如果將其設計成類似的模型進行研究，將會事半功倍。在實際的研究中，比如用水來代替石油來進行其在某管道中的運動，將音響的模型放在風洞中來完成對其特性的測試，這些用模型來代替實物的實驗，其結果與實際相差分毫，這種以模型來代替原型進行實驗，其模型完全遵循與原型相同的物理規律，這種方法叫做物理相似模擬。在實際的物理教學中，物理相似模型的范例比比皆是，風洞實驗，失重模型實驗等。

物理課本中對于海市蜃樓的自然現象只是做了簡單介紹，有條件的可以讓學生觀看視頻錄像，這種方式的教學根本滿足不了學生的好奇心，要想讓學生對該物理現象有更加深入的了解，只能是在實驗室進行模擬實驗，這樣不僅僅可以增加學生對相關物理知識的深刻理解，更能引導學生探索大自然的奧秘，使學生認知自然，認知世界。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，使糖水造成折射率歲深度而變化，而最大折射率出現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。當用氦氖激光光束從側面射入此溶液時，即可看到光束彎曲現象。然后再作海市蜃樓模擬，使之起到突破時空限制，重視自然奇景之目的。

四、過程模擬

所謂過程模擬，指的是在具體的物理實驗過程中，將其實驗的過程簡單化和理想化，在不影響被研究對象的前提下，根據簡單和理想化的過程，而設計出的模型。由于過程模擬的過程簡單，容易掌握。

對于物理教學中氣體壓強的分子論運動，一般都是以撐著的雨傘上面落得雨滴來講述，如果這種大分子對器壁的碰撞，用豆粒或者細砂放在平衡天平上的任何一端，這種現象來類比分子運動論的觀點，學生接受起來會更加容易。物理教學中的對于布朗運動的模擬，拿一根試管，里面放上半管鐵屑，將試管直立和平放，用此方法來模擬鐵棒的吸磁和退磁，這個實驗也是過程模擬的案例。

在物理教學中的導電機理章節，雖然電子的運動容易理解，如果加以實際模擬，會更加加深學生對此機理的理解。對于曲線的運動，分解和合成是重點和難點，在對相關的實驗進行演示后，教師可以利用手邊的物體，比如粉筆或者油筆，對此進行平拋運動的演示，首先，將手中的物體在身體前上方以勻速的運動進行，到某一個點上再以加速度的方式從上向下運動，以此來模擬平拋運動，對于學生來講，看到后會更容易理解，對于教師來講，在各個環節各個點都可以進行不同的分析。

五、儀器模擬

在一些儀器設備中，不少的儀器設備也是通過物理的模擬法所發明。氣泡室，其發明者也是在一次酒會上，他注意到，啤酒杯里的氣泡總是從容器的底部往上升，由此而發明的氣泡室。云室，其發明者的靈感來源于氣象站，在氣象站，發明者觀察到，當太陽的光線照射到環繞山頂上的云彩時，其會發出顏色各異的光線，這一物理現象，引起了發明者的興趣，發明者根據這些現象的特征，在實驗室進行了模擬實驗，最終發明了云室。

六、模擬放大

在實際的物理教學中，由于一些物理概念很抽象，導致了學生在學習上困難，不能從概念上理解和觀察其內部的狀態和規律，抽象的事物往往會阻礙學生的思維，所以我們可以采用物理的模擬放大法，對物理概念進行模擬放大，根據其本質的特性，從空間和時間上對其進行放大，從而能夠最直觀，最形象地展現在學生面前。

在力的分解章節教學中，其要點就是對斜面上物體的重力進行分析，由于物體的重力是抽象，不易理解的概念，對其進行分解更是難上加難，在實際的教學過程中，筆者用毛球來講物體進行放大，觀察其運動軌跡，用分層次的海綿紙來模擬斜面，其毛球在海綿紙上的運動，以及海綿紙的被壓狀態，學生可以觀察的非常清楚。

在多普勒效應章節的教學中，由于是波源與觀察者之間存在著相對的運動，所以使得觀察者感受到的頻率會有所變化，根據其特點：兩者的距離越近，觀察者所接受到的頻率就會越大，反之，觀察者所接收到的頻率就會越小。多普勒效應僅僅通過教師的講解，學生未必能真正的理解。如果在規定的時間內，將觀察者身邊經過的人數來模擬放大聲波，學生親自參與到其中，這不僅僅活躍了課堂氣氛，而且加深了學生對此概念的理解。

近些年，在物理的教學過程中，模擬法已經發揮了越來越重要的作用，該方法有其獨特的一面，不僅能夠開拓學生的視野，活躍課堂氣氛，還能夠激發學生的求知欲，最重要的是在物理教學的重點難點方面發揮著不可估量的作用。

[1]姚曉春.研究型課程的學科支持[J].現代教育研究，2013.

[2]劉紅.教育學[M].北京：人民教育出版社，2010.