物理化学实验动态仿真软件的开发

“电极制备及电池电动势测定”的实验内容分为两部分Λ第一部分是电极制备, 包括锌电极和铜
电极的制备; 第二部分是测定三组电池的电动势Λ其中特别能体现出动态模拟真实实验的地方有三
处: (1) 铜电极的电镀, (2) 工作电流的调节, (3) 未知电池电动势的测定Λ其中2与3的设计原理比
较接近, 故下面分别说明 (1) 和 (3) 的设计思想以及如何实现Λ
的电流值从开始时的10- 3～ 10- 5A 数量级到结束时的10- 9A 数量级这样一种变化以取整方式表现
出来, 采用五级放大可以得到完全一致的效果, 每一级倍乘系数为 ΒΖ当电计按键开关按下时, 通过
检流计的电流有一个确定的值 Βn∃ i, 此即检流计光标在标尺上的终点位置Λ
检流计光标移动的动画是用 FLA SH 4. 0制作的, 包含121帧画面Λ当电路中无电流通过时, 光
Υ0- -
R ( t + 273. 2F
15) ln
(Χ(Χ+
cc+
) Μ) Μ+
Ζ
其中, Υ0+ (Υ0- ) 为电池正 (负) 极标准电极电势, t 是实验环境温度 (℃) , Χ+ (Χ- ) 代表正 (负) 离子活
度系数, c+ (c- ) 代表正 (负) 离子浓度, Μ+ (Μ- ) 为一个分子中的正 (负) 离子个数Ζ
者可以在任意两个接线柱间进行连接Λ完成线路连接后, 计算机将其所有连线与正确的12种组合进
行比较, 判断正误Λ对于一些后果比较严重的错误连接方式, 计算机可以直接演示出相应的严重后
果, 比如安培表正负极接错, 会导致其损坏等, 以加深印象, 避免重犯Λ另外一些后果不太严重的则
直接给出“错误”提示, 要求重新接线Λ
倍乘系数 Β 由式 Β =
in t
∃ im ax ∃ im in
15
计算Ζ 式中,
∃ im ax =
Ex 89. 888
,
∃ im in = ∃ i0 - ∃ i1,
∃ i1 =
1000A 0 +
100B 0 +
Ex 10C 0 + D 0 +
E0 +
1+
1 1 0. 1F 0 +
889 +
Ζ
1 100
∃ i0 由下式计算
式中
∃ i0 =
1000A 0 +
100B 0 +
Ex 10C 0 + D 0 +
E0 +
1 1 0. 1F 0 +
889 +
,
1 100
A 0 = in t (10E x ) ,
B 0 = in t (10 (E x - A ) ) ,
C 0 = in t (10 (100E x - (10A + B ) ) ) ,
直流电位差计上的所有刻度盘都是左旋减小右旋增大Λ在软件中设计为按鼠标的左键对应左
旋, 按右键对应右旋, 按一下旋转一格, 并且显示相应的刻度值Λ
第3期 周 敏, 吴燕敏等: 物理化学实验动态仿真软件的开发
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(a) (b) (c) 图 2 检流计光标停留位置
另外, 检流计上的分流器选择开关以及直流电位差计上的“粗”,“细”电计按键开关都起分流作
用, 将 ∃ i 五级分流Λ这是由于本实验中所用检流计灵敏度高达2×10- 9A mm - 1, 而被测电势是未知
的, 在开始几次测试中其未对消的电势必然很大, 则通过检流计的电流将比它的灵敏度大几个数量
级, 为避免检流计被打坏, 所以加上前述二重分流保护装置Λ在进行计算机模拟时, 要把测量回路中
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思想、软件的结构和功能Λ
1 开发工具
开发平台采用A utho rw are 5. 0 A ttain, 主要用 F lash 4. 0, Pain tshop P ro 6. 0和照片编辑器来制 作动画和处理图片, 另外还使用到各种图片素材库, 以及字处理软件和声音合成软件等Λ
2 软件的设计思想
第 3 0 卷 第 3 期 上海师范大学学报 (自然科学版) 2 0 0 1 年 9 月 J. of Shanghai T eachers U n iv. (N atural Sciences)
V o l. 30, N o. 3 Sep . 2 0 0 1
物理化学实验动态仿真软件的开发
周 敏1, 吴燕敏1, 经春秋2, 宋钻豪2
(1. 上海师范大学 生命与环境科学学院, 上海 200234; 2. 上海师范大学 理工信息学院, 上海 200234)
摘 要: 报道了一个在 A utho rw are 5. 0 A ttain 平台上开发的物理化学实验动态仿真软 件Λ该软件提供了一个仿真实验环境, 能严格、细致、动态地模拟实际实验过程Λ操作者可 以在仿真实验室内完成全部实验步骤Λ经过该软件的训练, 能够迅速提高学生的实验操作 技能, 并能将仪器设备等的损坏降至极低Λ 关键词: 多媒体 CA I; 仿真; 物理化学实验; A utho rw are 中图分类号: O 64239 文献标识码: C 文章编号: 100025137 (2001) 0320094205
本文报道了一个基于A utho rw are 5. 0 A ttain 版多媒体开发软件平台上制作的动态仿真实验 软件Λ该软件提供了一个仿真实验环境, 在仿真实验室内完成全部实验步骤Λ系统所用数学模型经 过充分论证, 能严格、细致、动态地模拟实际实验过程, 实验界面设计模仿真实的实验环境和设备, 真实感较强Λ实验步骤设计成多线程操作, 便于学生系统安排实验顺序, 提高效率Λ同时, 系统提供 图文并茂的实验预备知识和实验的相关资料, 操作灵活的实验交互过程, 及时方便的实验指导Λ本 软件的目的在于辅助提高物化实验教学的效率Λ使学生在进入实验室以前能熟悉仪器设备的使用 方法, 为避免实验中的错误操作提供必要的训练机会, 大大减少仪器设备的损坏和意外事件的发 生, 并能迅速提高学生的实验操作技能Λ使用者可以根据自身的实际情况有选择地进行反复练习, 直到熟练掌握该项操作技能Λ因此本软件实际上是提供了一种高质高效的训练手段Λ
感谢李和兴教授、龚福泰副教授和沈鹤柏副教授在软件开发过程中提出宝贵建议Λ
参考文献:
[ 1 ] 东北师范大学等五所高校Λ物理化学实验 (第二版) [A ]Λ北京: 高等教育出版社, 1990Λ [ 2 ] 华雪倩 , 王惠刚 , 程志群Λ计算机仿真原理及应用[M ]Λ国防科技大学出版社, 1994Λ
D evelop ing of Physica l Chem istry Exper im en t D ynam ic Sim ula tion Sof tware
图 1 电镀线路原理图
2. 2 零电流法测定电池电动势的计算机程序设计原理 该部分的关键在于让检流计的光标在 x 轴上来回移动Ζ而光标在 x 轴上的位置由净电流 ∃ i, 倍
乘系数 Β 和放大级数 n 决定Ζ ∃ i 由下式计算
96 上海师范大学学报 (自然科学版) 2001年
为了使学生真正掌握实验操作方法, 防止照搬别人的实验结果应付了事Λ软件设计时特意将实 验温度设定在室温范围内 (5～ 35℃) 随机取值, 这样, 每次运行时未知电池的电动势不是一个定值 而是随温度变化的, 因此靠记别人的答案反推实验结果不能奏效Λ
3 软件结构
见图3Λ
图 3 软件结构图
4 使用效果
作者将该软件放在W eb 服务器上, 让学生预习后上机模拟操作, 每个人根据自己的实际情况 操作一次或反复操作Λ这样学生原本参差不齐的实验技能经过训练以后, 在短时间内迅速得以根本 提高Λ从而使教师辅导的重点能够顺利深入到使学生理解实验的设计思路以及如何进行科学实验 的设计等问题上来Λ在真实实验中表现得特别显著的是, 一些原来在实验时缩手缩脚的学生现在敢 放开手脚去操作了, 而且仪器设备的损坏几乎下降到零Λ
D 0 = in t (10 (1000E x - (100A + 10B + C ) ) ) ,
E 0 = in t (10 (10000E x - (1000A + 100B + 10C + D ) ) ) ,
F 0 = in t (10 (100000E x - (10000A + 1000B + 100C + 10D + E ) ) ) ,
0 引 言
在大学化学实验中, 物理化学实验是难度较大的一门实验课程Λ主要体现在使用的仪器多, 种 类不同, 自行搭配装置、连接电路也比较多, 对操作的顺序及连贯性要求很高, 数据处理相对复杂Λ 因而, 与其他门类的实验相比, 体现出的一个最大特点是注意事项特别多, 这些注意事项分别涉及 人身安全、仪器设备安全和数据的准确性等几方面Λ要求学生对以前学过的无机、分析、有机和物理 学实验技能有较强的综合运用能力Λ实际上, 限于教师人手不足, 仪器设备数量少, 或实验教材内容 与各校实验仪器设备型号不完全一致等原因, 学生很难做到比较充分的预习, 也难得到充分的练 习Λ在一次实验中, 要想顺顺当当完成, 有相当一部分学生难以做到Λ每次实验结束后, 或多或少都 有一些仪器损坏, 也有一些同学因为数据错误要重做Λ而多媒体技术的出现, 为改善这种状况提供 了可能Λ
∃i =
1000A
+
100B +
10C +
Ex D+
E+
1
1 0. 1F +
889 +
-
1 100
i0 ,
式中, A , B , C , D , E , F 为直流电位差计上从大到小 6 个刻度盘的读数, Ex 为待测电池的电动势值,
当待测电池确定后, 该值由计算机按照下式计算后内定Ζ
E x = Υ0+ -
2. 1 电镀铜的计算机程序设计原理
电镀线路原理图 (如图1所示) Λ原理图比较简单, 但实际连接时, 选择任意两个接线柱进行连接
的方式多达
C
2 9
=
36 种Λ而正确连接时, 线路中只有5根导线, 而且正确的接线方式有12种不同组
合Λ在程序设计中, 通过矢量定义线段来实现导线在不同接线柱间的连接Λ因此在软件运行时, 操作
本文以“电极制备及电池电动势的测定”为例, 说明软件在实现实时动态仿真这一方面的设计
收稿日期: 2001203205 作者简介: 周 敏 (19692) , 女, 硕士, 讲师, 从事物理化学理论及实验教学研究, CA I 教学软件的研究Λ
第3期 周 敏, 吴燕敏等: 物理化学实验动态仿ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ软件的开发
5 结 语
在今后的改进中, 可以利用A utho rw are 5. 0 A ttain 新增的操作跟踪记录功能在上述软件中增 加一个操作跟踪与评价模块, 就可以变成一个测验软件, 当教师人手不够或装置有限时, 用于对学 生进行实验操作技能的测试Λ
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ZHOU M in1, W U Yan2m in1, J IN G Chun2qiu2, SHOU G Zhuan2hao2
(1. Co llege of L ife and Envirom en t Sciences, Shanghai T eachers U n iversity, Shanghai 200234, Ch ina; 2. Co llege of Sciences, Engineering and Info rm ation, Shanghai T eachers U n iversity, Shanghai 200234, Ch ina) Abstract: A set of physical chem istry experim en t dynam ic sim ulation softw are based on A utho rw are 5. 0 A ttain p lat2 fo rm has been developed. T he softw are p rovides an im itation environm en t, w h ich can sim ulate the real experim en t p rocess p recisely. T he user can com p lete the experim en t in the sim ulation lab by using th is softw are. T he experim en2 tal sk ills of the studen ts w ere im p roved w h ile the defo rm ation of equipm en ts had been greatly reduced. Key words: m ultim edia CA I; sim ulation; physical chem istry experim en t; A utho rw are
标停留在标尺中间, 即0的位置, 对应第61帧画面, 如图2 (b) 所示Λ当有电流通过时, 光标根据 ∃i 的
正负而向左或右移动, 停在第AB S ( Βn∃ i ) 帧, 如图2 (a) , (c) 所示, 并在按键松开后返回, 进行衰减
振荡Λ如果及时按直流电位差计上的“短路”键, 可强制光标回到0附近Λ