利用“仿真物理實驗室”突破習(xí)題教學(xué)難點 ①

王勁存 董芳芳

(1. 江蘇省鹽城市龍岡中學(xué)，江蘇 鹽城 224011；2. 江蘇省鹽城市亭湖高級中學(xué)，江蘇 鹽城 224000)

1 引言

在高中物理習(xí)題教學(xué)中會遇到一些運動過程較為復(fù)雜的題目，尤其是帶電粒子在復(fù)合場中運動的題目。這類題目研究對象多、運動過程具有周期性，對學(xué)生的空間想象能力要求很高。由于缺少物理過程的形象展示與描述，教師講解時常感語言蒼白無力，學(xué)生對這類復(fù)雜的問題就會見而畏之，敬而遠(yuǎn)之。在進行此類習(xí)題講解時，可以利用“仿真物理實驗室”軟件，按照題目條件構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，呈現(xiàn)粒子運動的物理場景，過程逼真，可幫助學(xué)生理解整個運動過程，學(xué)生反饋良好。筆者以2021年江蘇新高考適應(yīng)性考試第16題為例，展示仿真實驗課件的制作過程，供同行參考。

2 原題呈現(xiàn)

跑道式回旋加速器的工作原理如圖1所示。兩個勻強磁場區(qū)域Ⅰ、Ⅱ的邊界平行，相距為L，磁感應(yīng)強度大小相等、方向垂直紙面向里。P、Q之間存在勻強加速電場，電場強度為E，方向與磁場邊界垂直。質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子從P飄入電場，多次經(jīng)過電場加速和磁場偏轉(zhuǎn)后，從位于邊界上的出射口K引出，引出時的動能為EK。已知K、Q的距離為d。

圖1

(1) 求粒子出射前經(jīng)過加速電場的次數(shù)N；

(2) 求磁場的磁感應(yīng)強度大小B；

(3) 如果在Δt時間內(nèi)有一束該種粒子從P點連續(xù)飄入電場，粒子在射出K之前都未相互碰撞，求Δt的范圍。

3 仿真實驗課件制作

本題為復(fù)合場問題，可以使用“仿真物理實驗室”軟件，根據(jù)題目情境創(chuàng)建勻強電場和勻強磁場，用不考慮重力的帶電小球模擬帶電粒子。為模擬一束粒子從P點連續(xù)飄入電場后的物理過程，可將若干靜止的帶電粒子提前置于P點，使用軟件自帶的程序編輯器控制帶電粒子在指定的時間依次進入電場。

3.1 實驗設(shè)置

打開“仿真物理實驗室”軟件，設(shè)置坐標(biāo)比例為默認(rèn)值(圖2)。點擊工具欄上的“編輯”—“實驗設(shè)置”，進行實驗設(shè)置，將“考慮重力作用”和“考慮運動對象間電荷吸引”前面的勾選去除(圖3)。

圖2

圖3

3.2 創(chuàng)建勻強磁場、勻強電場

點擊右方工具條上“勻強磁場”圖標(biāo)，用鼠標(biāo)左鍵在實驗區(qū)域拖出一個勻強磁場，命名為“磁場1”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為20m、-22m、-25m、-10m，磁感應(yīng)強度B設(shè)置為2T，磁場方向垂直紙面向內(nèi)。然后用同樣的方法創(chuàng)建“磁場2”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為20m、-22m、10m、25m，磁感應(yīng)強度B設(shè)置為2T，磁場方向垂直紙面向內(nèi)。

點擊右方工具條上“勻強電場”圖標(biāo)，用鼠標(biāo)左鍵在實驗區(qū)域拖出勻強電場區(qū)域，命名為“電場1”，上、下、左、右邊界的坐標(biāo)分別設(shè)置為-18m、-22m、-10m、10m，電場強度E設(shè)置為1N/C。

3.3 創(chuàng)建運動對象

點擊右方工具條上“運動對象”圖標(biāo)，創(chuàng)建運動對象，命名為“粒子1”，為方便輸入和計算，設(shè)定電荷量為1C、運動圓周的半徑為0.5m，初位移設(shè)定為x=-10m，y=-20m，點擊“確定”完成創(chuàng)建(圖4)。

圖4

點擊“運行實驗”按鈕就可以模擬粒子的運動過程，粒子在下方勻強電場中做勻加速直線運動，在左、右磁場中做勻速圓周運動，在兩磁場中間做勻速直線運動，軌跡類似于田徑場跑道(圖5)。

圖5

為模擬Δt時間內(nèi)一束粒子從P點連續(xù)飄入電場，以與粒子1相同的參數(shù)再創(chuàng)建5個粒子，依次命名為“粒子2”到“粒子6”，使用復(fù)制、粘貼的方法快速完成創(chuàng)建。因為后續(xù)粒子要等到指定時刻才開始運動，所以要先去除對話框左下角“有效(enable)”的勾選。另外，為了方便區(qū)分各個粒子，可以在“外觀屬性”選項卡中調(diào)整運動對象的顏色。

3.4 設(shè)置后續(xù)粒子開始運動的時間

使用程序編輯器設(shè)定后續(xù)粒子開始運動的時間，在上方工具欄上點擊“程序”—“程序編輯器”，進入語句輸入欄，輸入以下語句：

判斷1:如果(t=1)則執(zhí)行

粒子2.enable=1

結(jié)束判斷1

判斷2:如果(t=2)則執(zhí)行

粒子3.enable=1

結(jié)束判斷2

判斷3:如果(t=3)則執(zhí)行

粒子4.enable=1

結(jié)束判斷3

判斷4:如果(t=4)則執(zhí)行

粒子5.enable=1

結(jié)束判斷4

判斷5:如果(t=5)則執(zhí)行

粒子6.enable=1

結(jié)束判斷5

語句中的“粒子2.enable”表示運動對象有效性的變量，粒子處于無效狀態(tài)時，其值為“0”。運行程序后，當(dāng)時間t=1s時，執(zhí)行第2行語句“粒子2.enable=1”，則粒子2被激活開始運動;當(dāng)時間t=2s時，粒子3被激活開始運動，以此類推,這樣就實現(xiàn)了每隔1s有一個粒子進入加速電場。語句輸入完成后點擊“確定”，再點擊工具欄中的“運行實驗”按鈕就可以看到粒子的運動過程和軌跡。

3.5 實驗結(jié)果分析

運行課件后可看到：粒子1最先出發(fā)，粒子6最后出發(fā)，時間差為Δt，因為各個粒子的初始條件相同，所以它們的運動軌跡都完全相同，即后出發(fā)的粒子都重復(fù)前面粒子的運動。但因為先出發(fā)的粒子的速率始終大于后出發(fā)的粒子，所以粒子的路程差會不斷加大，當(dāng)最先出發(fā)的粒子比最后出發(fā)的粒子多運動一圈時，則可能發(fā)生碰撞。

4 結(jié)語

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，物理習(xí)題教學(xué)是提高學(xué)生科學(xué)思維能力的有效途徑。在難以用實驗演示的情況下，使用”仿真物理實驗室”展示復(fù)雜的物理過程非常有效。很多物理教師主要使用“仿真物理實驗室”的基本功能，只能模擬初狀態(tài)一定時的物理情景。而結(jié)合軟件附帶的程序編輯器，則可以實現(xiàn)剪斷繩子、突然施加或者撤銷某力、物體依次開始運動等操作，進而模擬更復(fù)雜的場景。在習(xí)題教學(xué)中使用“仿真物理實驗室”，能夠快速創(chuàng)建物理情景，提高習(xí)題教學(xué)的效率，提升學(xué)生解決復(fù)雜物理問題的能力。