物理实验中的摸拟法

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