- 相關(guān)推薦
淺談物理實(shí)驗中的摸擬法
模擬法是通過(guò)設計與原型（自然現象或過(guò)程）相似的模型，并利用該模型來(lái)間接地研究原型規律的方法。它隨著(zhù)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，是人類(lèi)認識世界和改造世界最基礎的方法之一。此法應用于物理教學(xué)可使事過(guò)境遷或稍縱即逝的自然現象或過(guò)程在實(shí)驗室重視，可將現象簡(jiǎn)化或進(jìn)行時(shí)空的放大、縮小，可對那些既不能打開(kāi)，又不能從外部直接觀(guān)察其內部狀態(tài)的系統進(jìn)行研究。特別是解決那些尚無(wú)簡(jiǎn)單有效的儀器可演示的實(shí)驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。
物理實(shí)驗中的模擬法，根據其特點(diǎn)主要主功能，并結合本人教學(xué)實(shí)踐，分為以下四類(lèi)。
一、 對象模擬
用放大或縮小了的，相似的，而又能反映事物某方面規律的客觀(guān)實(shí)體來(lái)代替研究對象的方法叫對象模擬。
對象模擬的設計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀(guān)實(shí)體的主要矛盾和本質(zhì)特征，摒棄次要的非本質(zhì)因素，使研究對象從客觀(guān)實(shí)體中直接抽象出來(lái)。如物理中的多種理想模型，以及天體運動(dòng)模型，微觀(guān)結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時(shí)，我在實(shí)驗基礎上，運用對象模擬法，用自行車(chē)氣門(mén)和進(jìn)水閥門(mén)來(lái)模擬單向門(mén)。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發(fā)了興趣，開(kāi)闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來(lái)的模擬。如地球因自轉而產(chǎn)生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍球（或地球儀）來(lái)模擬地球自轉，然后將紅墨水從上往下滴落在轉動(dòng)的“地球”表面。此時(shí)即可明顯看到水痕西邊呈擴散狀，從而令人信服的說(shuō)明北半球南流沖刷西岸這一自然現象。
二、 物理相似模擬
在科學(xué)研究和工程技術(shù)的許多領(lǐng)域中，人們常常希望利用模擬試驗來(lái)代替對實(shí)際現象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無(wú)法達到的條件下出現的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動(dòng)，把設計好的收音機縮小成模型放在風(fēng)洞中試驗其特性等。其特點(diǎn)即模擬與原型遵循同樣的物理規律，故稱(chēng)為物理相似模擬。
物理實(shí)驗教學(xué)中的“失重和超重模擬實(shí)驗”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場(chǎng)中的平衡進(jìn)行“密立根油滴實(shí)驗”的模擬，以及十分壯觀(guān)的“可樂(lè )瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。
海市蜃樓是一種罕見(jiàn)的自然現象，教學(xué)中一般只作介紹，至多不過(guò)看看錄像，不能滿(mǎn)足學(xué)生的好奇心和求知欲，如果能在實(shí)驗室加以模擬，則不僅可激發(fā)學(xué)生探求自然奧秘的濃厚興趣，還可加深對有關(guān)知識的理解。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，使糖水造成折射率隨深度而變化，而最大折射率出現在含糖較多的容器底部，以此來(lái)模擬大氣折射率隨高度而變化。（如圖1）當用氦氖激光光束從側面射入此溶液時(shí)，即可看到光束彎曲現象。然后再如圖2作海市蜃樓模擬，使之起到突破時(shí)空限制，重視自然奇景之目的。圖2中（1）液化汽灶，（2）鐵板帶沙，（3）半透明紙，（4）臺燈，（5）小景物，（6）蜃景。
三、 過(guò)程模擬
把具體物理過(guò)程純粹化、理想化，并根據其本質(zhì)特征而設計的一種模擬叫過(guò)程模擬。其特點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)化，易于控制。
氣體壓強的分子運動(dòng)論觀(guān)點(diǎn)，通常采用雨滴打傘面來(lái)類(lèi)比。這種大量分子對器壁連續碰撞的過(guò)程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣著(zhù)的托盤(pán)底上的現象來(lái)模擬，就顯得直觀(guān)生動(dòng)了。布朗運動(dòng)的模擬，伽爾頓板，裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過(guò)程模擬的成功例子。
電子技術(shù)中半導體的導電機理，電子運動(dòng)易理解，空穴導電則抽象，課堂教學(xué)中如用“空位置”的運動(dòng)來(lái)作一現場(chǎng)過(guò)程模擬，無(wú)疑會(huì )使學(xué)生茅塞頓開(kāi)。分析曲線(xiàn)運動(dòng)的思想方法——運動(dòng)的分解和合成是個(gè)難點(diǎn)，我以平拋運動(dòng)為突破口，在演示有關(guān)實(shí)驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走（模擬水平勻速直線(xiàn)運動(dòng)）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運動(dòng)，既簡(jiǎn)單明了，又便于分析。
熱學(xué)中的統計方法和光本性的幾率概念，由于受課堂教學(xué)時(shí)間的限制，怎樣從個(gè)別事件的無(wú)規律過(guò)渡到大量事件的有規律，成了模擬實(shí)驗的設計難點(diǎn)，在教學(xué)中采用全同等可能過(guò)程，在不同時(shí)刻的空間比較可以等效變換成同一時(shí)刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學(xué)同時(shí)擲幣若干次，然后統計比較下列情況“國徽”朝上的次數：（1）某同學(xué)，（2）某小組同學(xué)，（3）全班同學(xué)。從而使學(xué)生既突破了難點(diǎn)又受到一次生動(dòng)的方法論教育。
四、 模擬放大
在物理概念和規律教學(xué)中，學(xué)生往往對那些不易觀(guān)察或不能從外部直接觀(guān)察其內部狀態(tài)的規律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模擬放大正是采用空間放大和時(shí)間放大的方式，抓住本質(zhì)特征，展現其生動(dòng)直觀(guān)形象，從而促進(jìn)思維順利進(jìn)行。
液體表面張力實(shí)驗中的“水面浮針”，學(xué)生感到新奇，但在分析受力時(shí)往往錯誤認為表面張力與重力平衡，經(jīng)指出后又不理解沿液體表面作用的力并沒(méi)有作用在針上。究其原因是學(xué)生在形成概念過(guò)程中缺乏直觀(guān)材料。為此，我用一只較大的氣球，充入少量氣體，然后在上面放一根小鐵棒，以此來(lái)模擬放大液面浮針，并指出液體表面張力同橡皮膜的張力，只作用在它們的表面，并沒(méi)有作用在針（或棒）上，作用在針上的是因液體表面張力而產(chǎn)生的液面對針的支持力。通過(guò)令人信服的實(shí)驗還使學(xué)生進(jìn)一步明確：表面張力的作用是保持液面不分裂。
力的分解，關(guān)鍵是根據力產(chǎn)生的效果來(lái)確定分力的方向。斜面上物體的重力的分解和三角支架問(wèn)題是其中的典型（如圖3），我在教學(xué)中用長(cháng)毛板刷來(lái)模擬放大物體的運動(dòng)趨勢，用吹塑紙模擬斜面，則斜面被壓和物體向下滑動(dòng)趨勢一目了然。
新編中師物理教材中增加了多普勒效應。要觀(guān)察由于聲源和觀(guān)察者的運動(dòng)而使接收到的聲音頻率發(fā)生的變化顯然比較困難，但用單位時(shí)間內從觀(guān)察者身旁通過(guò)的人數來(lái)模擬放大聲波的波數（即頻率），并讓學(xué)生實(shí)際表演一下，確能使學(xué)生在輕松愉快的氣氛中加深對此現象的理解。
綜上所述，模擬法作為科學(xué)研究中的一種最基礎的方法，已在物理實(shí)驗教學(xué)中日益受到人們的重視。這種方法，必將在開(kāi)拓設計思路，激發(fā)學(xué)生興趣，突破教學(xué)難點(diǎn)等方面發(fā)揮其獨特作用。
【淺談物理實(shí)驗中的摸擬法】相關(guān)文章：
淺談圖像法在中學(xué)物理實(shí)驗中的應用11-23
淺談物理實(shí)驗在物理教學(xué)中的意義06-21
淺談初中物理在實(shí)驗中的教學(xué)探究12-10
淺談類(lèi)比法在初中物理教學(xué)中的應用12-02
物理實(shí)驗教學(xué)淺談11-23
中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗法的作用探析03-15
淺談大學(xué)院校物理實(shí)驗12-10
淺談初中物理教學(xué)中的補充03-06