物理实验中的摸拟法

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物理实验中的摸拟法

物理实验中的摸拟法浙江临海师范 李宏远 11月7日
　　模拟法是通过设计与原型（自然现象或过程）相似的模型，并利用该模型来间接地研究原型规律的方法。它随着生产和科学技术的发展而发展，是人类认识世界和改造世界最基础的方法之一。此法应用于物理教学可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重视，可将现象简化或进行时空的放大、缩小，可对那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。特别是解决那些尚无简单有效的仪器可演示的实验，模拟法则成了一种重要的辅助手段。

　　物理实验中的模拟法，根据其特点主要主功能，并结合本人教学实践，分为以下四类。

一、 对象模拟

　　用放大或缩小了的，相似的，而又能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象的方法叫对象模拟。

　　对象模拟的设计思想主要在于下述两种情况：其一是为了突出客观实体的主要矛盾和本质特征，摒弃次要的非本质因素，使研究对象从客观实体中直接抽象出来。如物理中的多种理想模型，以及天体运动模型，微观结构等几何相似模型。在研究二极管的单向导电性时，我在实验基础上，运用对象模拟法，用自行车气门和进水阀门来模拟单向门。如此，不但加深对“单向性”的认识，而且激发了兴趣，开阔了思路。其二是为了解释某些行为和特征而建立起来的模拟。如地球因自转而产生的科里奥利力比较抽象，在地理课中亦有提及。我们不妨取一只旧的橡皮蓝球（或地球仪）来模拟地球自转，然后将红墨水从上往下滴落在转动的“地球”表面。此时即可明显看到水痕西边呈扩散状，从而令人信服的说明北半球南流冲刷西岸这一自然现象。

二、 物理相似模拟

　　在科学研究和工程技术的许多领域中，人们常常希望利用模拟试验来代替对实际现象的研究，以便使我们可能在一定程度上预言某些在目前尚无法达到的条件下出现的情况。例如用水代替石油研究其在管道中的运动，把设计好的收音机缩小成模型放在风洞中试验其特性等。其特点即模拟与原型遵循同样的物理规律，故称为物理相似模拟。

　　物理实验教学中的“失重和超重模拟实验”，“萝卜”马德堡半球，帕斯卡裂桶，用带电的肥皂泡在竖直电场中的平衡进行“密立根油滴实验”的模拟，以及十分壮观的“可乐瓶水火箭”等，均是物理相似模拟的范例。

　　海市蜃楼是一种罕见的自然现象，教学中一般只作介绍，至多不过看看录像，不能满足学生的好奇心和求知欲，如果能在实验室加以模拟，则不仅可激发学生探求自然奥秘的浓厚兴趣，还可加深对有关知识的理解。首先，我们可以在三面透明的玻璃箱中放入若干白糖而不加搅拌，使糖水造成折射率随深度而变化，而最大折射率出现在含糖较多的容器底部，以此来模拟大气折射率随高度而变化。（如图1）当用氦氖激光光束从侧面射入此溶液时，即可看到光束弯曲现象。然后再如图2作海市蜃楼模拟，使之起到突破时空限制，重视自然奇景之目的。图2中（1）液化汽灶，（2）铁板带沙，（3）半透明纸，（4）台灯，（5）小景物，（6）蜃景。

三、 过程模拟

　　把具体物理过程纯粹化、理想化，并根据其本质特征而设计的一种模拟叫过程模拟。其特点是过程简化，易于控制。

　　气体压强的分子运动论观点，通常采用雨滴打伞面来类比。这种大量分子对器壁连续碰撞的过程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣着的托盘底上的现象来模拟，就显得直观生动了。布朗运动的模拟，伽尔顿板，装有铁屑的试管模拟铁棒的磁化和退磁等都是过程模拟的成功例子。

　　电子技术中半导体的导电机理，电子运动易理解，空穴导电则抽象，课堂教学中如用“空位置”的运动来作一现场过程模拟，无疑会使学生茅塞顿开。分析曲线运动的思想方法——运动的分解和合成是个难点，我以平抛运动为突破口，在演示有关实验后，用“慢镜头”的方法，手持粉笔头边走（模拟水平匀速直线运动）边沿自身前方，从上向下加速下移，以此模拟平抛运动，既简单明了，又便于分析。

　　热学中的统计方法和光本性的几率概念，由于受课堂教学时间的限制，怎样从个别事件的无规律过渡到大量事件的有规律，成了模拟实验的设计难点，在教学中采用全同等可能过程，在不同时刻的空间比较可以等效变换成同一时刻不同状态的比较的方法，让全班同学同时掷币若干次，然后统计比较下列情况“国徽”朝上的次数：（1）某同学，（2）某小组同学，（3）全班同学。从而使学生既突破了难点又受到一次生动的方法论教育。

四、 模拟放大

　　在物理概念和规律教学中，学生往往对那些不易观察或不能从外部直接观察其内部状态的规律，因缺乏形象的感性材料而引起思维障碍。模拟放大正是采用空间放大和时间放大的方式，抓住本质特征，展现其生动直观形象，从而促进思维顺利进行。

　　液体表面张力实验中的“水面浮针”，学生感到新奇，但在分析受力时往往错误认为表面张力与重力平衡，经指出后又不理解沿液体表面作用的力并没有作用在针上。究其原因是学生在形成概念过程中缺乏直观材料。为此，我用一只较大的气球，充入少量气体，然后在上面放一根小铁棒，以此来模拟放大液面浮针，并指出液体表面张力同橡皮膜的张力，只作用在它们的表面，并没有作用在针（或棒）上，作用在针上的是因液体表面张力而产生的液面对针的支持力。通过令人信服的实验还使学生进一步明确：表面张力的作用是保持液面不分裂。

　　力的分解，关键是根据力产生的效果来确定分力的方向。斜面上物体的重力的分解和三角支架问题是其中的典型（如图3），我在教学中用长毛板刷来模拟放大物体的运动趋势，用吹塑纸模拟斜面，则斜面被压和物体向下滑动趋势一目了然。

　　新编中师物理教材中增加了多普勒效应。要观察由于声源和观察者的运动而使接收到的声音频率发生的变化显然比较困难，但用单位时间内从观察者身旁通过的人数来模拟放大声波的波数（即频率），并让学生实际表演一下，确能使学生在轻松愉快的气氛中加深对此现象的理解。

　　综上所述，模拟法作为科学研究中的一种最基础的方法，已在物理实验教学中日益受到人们的重视。这种方法，必将在开拓设计思路，激发学生兴趣，突破教学难点等方面发挥其独特作用。