基于AVM平臺的虛擬物理實驗的設計與開發*
——以驗證動量守恒定律為例

2016-11-25 08:52:16肖芳陳國軍郭杰榮

中國教育技術裝備 2016年18期

關鍵詞：方向實驗室實驗教學

◆肖芳陳國軍郭杰榮

◆肖芳陳國軍郭杰榮

以中學物理實驗“驗證動量守恒定律”為例，詳細說明基于AVM平臺的虛擬實驗的開發過程，以促進基于AVM平臺虛擬實驗室的發展和應用。

AVM平臺；虛擬實驗；中學物理；動量守恒定律

1 問題的提出

中學物理實驗在物理教學中占有舉足輕重的地位。從我國中學物理實驗現狀來看，實驗器材不足、實驗的趣味性不強、實驗開出率低是大部分中學尤其是農村中學普遍存在的現象。與傳統實驗教學相比，基于AVM平臺的虛擬實驗教學能降低實驗成本，突破傳統教學模式中時間及地點的限制，開發效率高，具有良好的交互性，輕松實現資源共享，有利于學習者的自主學習及合作學習。因此，基于AVM的虛擬中學物理實驗室的設計與開發很有意義。本文以中學物理實驗“驗證動量守恒定律”為例，較為詳細地說明基于AVM平臺的虛擬實驗的開發過程，以促進基于AVM平臺虛擬實驗室的發展和應用。

2 基于AVM平臺的虛擬物理實驗的設計

在本研究中，主要以中學物理實驗“驗證動量守恒定律”為例。實驗主要儀器包括斜槽軌道、氣墊導軌、電腦計數器、氣泵、天平等。動量守恒適用條件：

條件一，系統不受外力或系統所受的外力的合力為零；

條件二，系統所受外力的合力雖不為零，但比系統內力小得多；

條件三，系統所受外力的合力雖不為零，但在某個方向上的分力為零，則在該方向上系統的總動量保持不變，也就是分動量守恒。

該虛擬實驗要能使實驗者獲取數據并準確驗證動量守恒定律，在驗證過程中能夠很好地實現人機交互，以保證實驗的趣味性，激發實驗者的學習興趣；還要保證能夠在低配置的計算機上運行，以符合大眾需求。基本的數據包括：斜面下滑碰撞時，能夠得到小球從斜面下滑，然后發生碰撞后下落到地面的高度、時間、滑動的距離、碰撞前的初速度大小方向、碰撞后速度的大小方向等；水平面碰撞時，能夠自定義兩小球質量大小、初速度大小方向等，能夠得到兩小球的末速度大小方向。

3 基于AVM平臺的虛擬中學物理實驗的框架設計

該虛擬物理實驗主要分為四大模塊：推理過程、實驗驗證、原理運用、習題鞏固。

推理過程主要是演示動量守恒定律的原理、公式的推理過程，讓實驗者在實驗之前了解動量守恒定律公式的由來。

實驗驗證主要是驗證動量守恒定律的正確性，包括兩大實驗以及各種實驗結果的對比：小球從光滑斜面下滑碰撞實驗，讓實驗者自定義控制光滑斜面中將要發生碰撞的兩小球的質量大小，并獲得它們下落到地上的末速度大小，碰后運動的水平距離、下落的高度、下落的時間等，從這些條件來驗證動量守恒定律公式的正確性；兩小球在光滑水平面上碰撞實驗，讓實驗者控制光滑水平面中將要發生碰撞的兩小球質量的大小、初速度的大小和方向（負值為反方向），并獲得它們碰撞后的速度大小和方向等，從這些條件來驗證動量守恒定律公式的正確性；結果對比展示，讓實驗者觀察剛才實驗中，不同條件下兩小球發生碰撞后的不同結果，從而更加形象、準確地掌握動量守恒定律。

原理運用主要是以動量守恒定律來解釋生活中的各種現象，了解動量守恒定律在現實生活中的應用，加深對動量守恒定律的理解，激發學生的學習興趣。

習題鞏固主要是進一步加深對動量守恒定律的掌握，讓實驗者以做題的形式掌握動量守恒定律的適用范圍、相關題型等。