模拟实验在物理教学中的应用

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  物理是一门以实验为基础的学科,在物理教学中,正确规范的做好实验,既可以激发学生强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣,引导学生形成物理概念,掌握物理规律,又可以培养学生的观察能力、思维能力、分析问题和解决问题的能力以及实验能力.自己通过多年的教学实践体会到,作为物理实验中的一个重要方面的内容——模拟实验,应用在物理教学中,对于弥补真实实验的不足,克服其局限性,在建立概念,发现、检验和深化物理规律等方面有重要的作用.近年来,随着物理实验仪器设备的更新,多媒体教学设备的广泛应用,以往教学中比较抽象、比较复杂或用通常实验手段观察不到的一些物理现象,通过模拟实验可以生动形象的演示出来,为模拟实验在物理教学中开辟了越来越多的新领域,使模拟实验在物理教学中显得越来越重要了.本文就运用模拟实验的方法,突出重点,突破难点,提高学生学习兴趣,培养能力等方面做一些探讨.
  
  一、利用模拟实验,排除干扰,突出重点
  
  有的天然物理过程,由于不能人为的控制其发展,也不能排除次要因素的影响,常常被一些表面现象所迷惑得出错误结论.而根据人们研究的需要,利用模拟实验,人为的控制实验条件,排除干扰,突出重点,抓住关键,使问题的研究更加集中,更加典型,这就有利于人们准确地认识和把握所研究的物理现象,进而发现其中的规律性,例如有关落体运动,学生据日常所见早已形成重的物体比轻的物体下落的快的错误观念.学过牛顿第二定律后,虽然从理论上得出了在同一位置上的一切物体不论质量大小,它们加速度相同的结论,但遇到具体问题,往往又回到早已定型的错误结论上去.所以教材上除列举了许多实例外,还安排了牛顿管的模拟实验.为了使实验的效果更加理想,在课堂演示时采取使这个过程逐渐接近理想条件的方法.先打开牛顿管的阀门,让学生观察管内羽毛和铁片运动快慢的差异,然后分几次逐步抽气,让学生观察比较随管内气压的减小,羽毛和铁片运动快慢的差异的变化,直到两者同时到达底端.这样不仅使学生掌握了落体运动规律,而且明确了在这个模拟实验中,是人为的控制条件,逐步排除空气的干扰,纯化实验条件,突出重点,使它接近理想化的程度.
  
  二、利用模拟实验,使微观现象宏观化,抽象内容具体化
  
  有些物理现象,由于涉及的物体太小,给观察带来了很大的困难或根本观察不到.利用模拟实验,可以较好的解决这个问题,如讲布朗运动时,通常是用花粉或滕黄粉放在显微镜下,让学生分组观察,由于显微镜观察范围的限制,加上学生对微观世界缺乏认识,老师难于指导,有些学生根本找不到真正的观察目标,完不成观察的目的.特别是对布朗运动是反映大量分子无规则运动的抽象解释,学生不易理解.利用布朗运动模拟演示器来模拟布朗运动,借助投影仪进行演示,形象直观.实验时转到发击机构使环内的小钢珠产生无规则运动,这些小钢珠反复撞击橡胶小圆面,小圆面也做无规则运动,这幅图像就形象的模拟了布朗运动.在这个模拟实验中学生不仅看到了悬浮在水中的固体小颗粒的运动,而且对布朗运动的抽象解释中,涉及到看不见的分子的无规则运动的情况也“一目了然”.
  这类模拟实验,实际上是形象化的类比,学生是通过模拟图像去理解物理问题的.对培养学生的想象能力、创造能力和激发学生的学习兴趣有很大的作用.因此,在学习课外活动中,我有意识的安排这类形象的模拟问题,让学生仿制或设计一些模拟教具.如有的同学利用明胶片制成投影片来模拟饱和汽的情况,两个动片上用圆点来模拟分子,通过两个动片向相反方向的运动,在屏幕上显示出汽分子从液面飞出飞进的运动情况,形象逼真.有的同学用在两个明胶片上分别画出的一组同心圆,演示波的干涉现象,效果明显.在交流时,表演者十分兴奋,为自己取得的成绩而感到欣喜;观察者情绪激动,提高了学习物理的兴趣和参加课外活动的热情.
  近年来,随着多媒体技术的普及和应用,利用微机进行模拟实验已成为一种富有特色的新的教学形式,学生在这个特有的环境下学习表现出一种强烈的求知欲望.其实,它的优势主要表现在教学中,有许多物理现象和过程不能在通常情况下或从简单的实验中获得,像一些具有危险性或代价昂贵的实验,通过微机就可以模拟出这些过程或现象.
  
  三、利用模拟实验,使动态过程能动能静,动静结合
  
  有些动态变化中,现象稍纵即逝,利用模拟实验不仅可以将动态过程显示出来,而且可以通过“暂停”将某一瞬时的情况反映出来,大大增强了直观性.例如,在机械波的形成过程中,媒质中的各个质点处于不停的震动中,波形不停的向前传播,容易造成媒质中的质点随波向前迁移的错觉,某一瞬时的情况就更不容易掌握.利用波动演示器模拟横波和纵波形象,效果很好,它主要是利用一组偏心轮来带动模拟质点进行演示的,它既可以慢动作的模拟波的形成和传播,也可以反映某一瞬时波的形状,分析各个质点的相对位置等.这就克服了以往利用挂图只能说明某一瞬时的波形,无法说明波的传播和质点的运动,能静不能动的缺陷,能动不能静的不足,以及观察实际波动过程,无法扑捉某一时刻各个质点的情况.而波动演示器的模拟演示,则能动能静,动静结合,同时还可以对整个过程分层再现,为学生提供了观察和思考的机会,加深了印象.
  利用微机对动态过程进行模拟,是微机的另一显著优势,像在平抛运动的教学中,利用平抛竖落仪进行演示,由于过程非常快,球又小,学生看不到两个小球运动过程中的运动规律有何联系,只能凭两球落地的撞击声,判断两球在空中运动的时间大致相等,很难完成教学要求.如果在这个基础上,在利用微机进行辅助模拟演示,放慢小球的运动速度,学生就很容易观察到两球运动规律的联系.这样,将真实实验和微机模拟有机地结合起来,会收到事半功倍的教学效果.
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