高中物理教学论文 鳄鱼夹仿真实验在物理教学中的应用 11页

鳄鱼夹仿真实验在物理教学中的应用 ‎ 数字化实验一般包括数字化实验室和仿真实验室，前者是指用电子计算机和数据采集器及传感器辅助物理化学等实验，后者是用电子计算机纯软件做的仿真实验，对前者，有不少的文章见诸报刊，而后者，介绍和研究的文章在报刊还很咸见。‎ 鳄鱼夹仿真实验室中文版是由中国南京师范大学江苏苏威尔科技公司与英国Crocodile Clips公司合作开发的面向教育的高科技仿真实验软件，它包括五款软件，分别是：物理，化学，数学，技术和ICT，其中鳄鱼夹仿真实验系统《物理》《化学》是两款功能强大、仿真效果很好的软件。仿真实验不同于flash动画等课件，它具有高度仿真效果，具有数字化功能，能自动出数字，如电流表、电压表的读数。用它可以象真的做实验那样，用它演示物理实验，能提高教学效率、效果、效能和效益。‎ 一、 实时显示数据与图象，大大节省时间，提高课堂效率 【例1】 实验：测电池的电动势和内阻（课程标准教科书人民教育出版社《物理》选修3-1第72页）‎ 1． 实验原理与方法：在闭合电路中，根据全电路欧姆定律，有 ①，其中E表示电源的电动势，U表示电源的路端电压，I表示闭合电路中的电流，r表示电源的内阻。 ①式可变为 ②，改变电路的外电阻R，测出一系列的I和U值，作出U-I图象。图象在U轴上的截距即为电源的电动势，直线的斜率的绝对值即为内阻。此方法叫伏安法，用伏特表和安培表作测量工具。‎ ‎2. 实验电路与结果 用鳄鱼夹仿真实验室很快可以组成电路，如图1，注意电池的内阻要“打开”。‎ 图1‎ 滑动滑钮，改变电阻值，测出一系列电压和电流值，作出U-I图象，如图2。‎ 图2‎ 从图象求出：电动势E=6V，最大电流Im=6A，内电阻r==1‎ ‎3. 系统误差分析与实验验证 仿真实验室中的电流表和电压表是理想的，即电流表的内阻为0，电压表的内阻为无穷大，实际的电流表和电压表是有一定的内阻的，电流表和电压表势必对电路产生一定的影响，使实验产生误差，这个误差是系统误差。设电流表的内阻为1，电压表的内阻为1k,我们在电流表上串联一个1的电阻，在电压表上并联一个1k的电阻，作为真实的电流表和电压表，实验电路如图3所示。‎ 图3‎ 改变可变电阻的阻值，得到如图4的图象。‎ 图4‎ 不考虑电流表和电压表对电路的影响，有得：，图象在U轴上的截距b即为电源的电动势, ，直线的斜率k的绝对值即为内阻, （因为斜率k是负值，内阻r是正值，所以加负号），这就是测量值；‎ 考虑电流表和电压表对电路的影响，有得：，图象在U轴上的截距记作b, 直线的斜率记作k, 则 ‎，，得，，即为真实值。‎ 因为测量值为，所以，所以；‎ 因为测量值为，所以，所以。‎ 从图象求出截距为， 斜率为。‎ 测量值：图象的截距为电动势,斜率加负号为内阻.‎ 真实值： =，=6.006V.‎ 可见，用伏安法测电池电动势和内阻，采用如图3的电路，测量值都小于真实值，但由于电压表内阻大，所以误差小，实验中常用此法。‎ 如用传统的实验方法，连接电路，测量数据，瞄点画图，计算结果，需要很长的时间，用数字化仿真实验，电路搭建很快，实验过程迅速，数据图象更是即时完成，节省了时间，提高了课堂效率，尤其是高三的高考复习课，更显现其优越性。‎ 从学生实验角度看，学生往往对实验兴趣浓、积极性高，喜欢作各种尝试，但为防止学生发生意外和造成实验仪器损失或由于实验条件的限制，总存在一些在物理实验里不能做或不允许做的实验，如电流表反接、短路、用小量程测大电流、人体导电等实验。而在仿真实验环境，则可以解决这一难题。‎ 二、抽象概念形象化，物理现象可视化，提举教学效果 ‎【例2】多普勒效应（课程标准教科书人教版《物理》选修3-4第12章机械波第7节多普勒效应（P44~48））‎ 1. 什么是多普勒效应？‎ 波源与观察者互相靠近或者互相远离时，接收到的波的频率都会发生变化，人们把这种现象叫做多普勒效应。‎ Doppler effect, 奥地利物理学家，1842年带着女儿在铁道旁散步时注意到了类似的现象。‎ 1. 用“鳄鱼夹”仿真实验室演示多普勒效应 （1） 当汽车以52m./s的速度靠近观察者匀速运动时，汽车声源发出的声音频率为1kHz, 观察者听到的声音的频率为1.18kHz，波形较密，如图5。‎ 图5‎ （2） 当汽车远离观察者匀速运动时，汽车声源发出的声音频率仍为1kHz, 观察者听到的声音的频率为870Hz，波形较疏，如图6，。‎ 图6‎ （3） 频率随时间变化的图象如图7，兰线表示汽车声源发出的声音频率为1kHz, 不变，红线表示观察者听到的声音的频率，从靠近时的1.18 kHz变到远离时的0.87kHz.‎ 图7‎ 1. 多普勒效应公式与计算 设声源的频率为，声音的速度为，汽车的速度为，则当声源靠近观察者时，观察者听到的声音的频率为，‎ 则当声源远离观察者时，观察者听到的声音的频率为。‎ 对应图7，，，‎ 与实验结果符合得很好。‎ 5. 多普勒效应的振动图象 图8‎ 图8是振动图象，图象中红线表示波源的振动情况，频率不变，振幅不变。兰线表示测试到的振动图象，从图象可以看出，当波源移近测试点时，测试的频率大于波源的频率（波形密），当波源远离测试点时，测试的频率小于波源的频率（波形疏）。‎ 多普勒效应是新教材的新内容，概念很抽象，现象不容易观察到，许多老师感到难把握，学生感到难理解，用仿真实验室演示以后，抽象概念形象化，物理现象可视化，收到很好的教学效果。‎ 从演示实验方面看，有些物理现象或物理过程无法直接用实验演示，一些物理规律受到常规实验仪器本身的限制，演示效果常不如人意，一些物理过程不能作定量研究，甚至一些物理定律只是一种理想模型，在正常条件下不能实现。这些现象的存在，一定程度上造成学生对物理现象和过程没有感性认识，理解比较困难。发挥信息技术的特长，对那些难以观察到的，复杂、困难的实验进行模拟和再现，成为常规实验的补充，把两者有机结合起来，教学会收到事半功倍的效果。‎ 三、瞬间过程记录保存，电流方向可以显现，提升教学效能 ‎【例3】自感实验（新课标教科书人教版选修3-2第25-26页）‎ 1. 场景1‎ 电路如图11，两个信号灯并联，其中灯1与自感系数（电感）为10H的线圈串联。‎ 图11‎ 当开关闭合时，灯2立刻亮起来，灯1还没有亮，如图12甲，笔者“抓拍”的。然后慢慢亮起来，如图12乙。‎ 图12甲 图12乙 两灯的电流与时间关系如图13所示，我们清楚地看到：开关闭合后，灯2的电流（红线）立刻达到最大，而灯1的电流（兰线）缓慢升高直至最大，延时约0.25s, 其原因是：当灯1电路电流增大时，电感线圈产生感应电流，阻碍电流的增大。‎ 图13‎ 图的后面显示断电自感现象。当开关断开时，电流减小，灯1电路由于有电感线圈，产生自感现象，感应电流在灯1电路与原电流方向相同，感应电流以灯2电路为闭合回路，所以灯2电流方向与原来相反变为负，然后才逐渐变为0.‎ 场景2‎ 电路如图14，一个信号灯，一个自感系数（电感）为10H的线圈与一个的电阻串联，然后二者并联，接在6V的电源上（有开关）。‎ 图14‎ 这次首先演示断电自感，然后演示通电自感。‎ 图15‎ 如图15，原来开关是闭合的，两条电路电流几乎相等（通过调电阻来实现，既不完全相等，否则线压在一起，又不相差太大）。当开关断开时，有线圈的电路因为自感现象产生与原电流方向相同的感应电流。此感应电流与电灯电路形成闭合回路，所以电灯电路的电流与原电流方向相反，如红线所示，所以，灯亮一下然后才逐渐熄灭，这就是著名的断电自感。‎ 当闭合开关时，电灯电路电流（红线）立刻升为最大，而有线圈的电路电流（兰线）逐渐增大，这就是通电自感现象。‎ 传统的实验，用图11演示通电自感，用图14演示断电自感，那是因为传统实验只能通过观察灯的亮度来显示效果，通电自感用两灯以比较其亮的先后来体现自感延迟效果，断电自感只要一个灯就可以了，但要形成闭合回路，所以也要两条电路。‎ 仿真实验这两个图表示的电路都既能演示通电自感，又能演示断电自感，因为可以用图象来显示效果，不一定要用两个灯的亮度做比较。‎ 通电自感和断电自感，是发生在一瞬间的现象，稍逊即逝，一不注意就过去了，不目不转睛就看不到，但用电子计算机图象把它固定下来，象电影中的定格一样，便于人们观察和研究。特别是显示断电自感实验中灯泡上电流的方向与原来相反，是传统实验中无论如何也看不到的。余从事物理教学凡40年，第1次看到电流方向相反，真是叹为观止。‎ 传统实验与数字化实验在教学中若能取长补短，会达到更好的效果。数字化实验室 是实验教学条件现代化不可缺少的一环，但仍应该把真实实验条件作为实验室建设的必要基础，用了计算机等信息技术能加深对物理原理的理解、对测量精度的提高和物理量的测量大量数据的分析处理，数字化使用是物理实验的有力的辅助设备之一。‎