物理實(shí)驗(yàn)中的模擬法

[摘要]：模擬法作為科學(xué)研究的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益受到重視，文章介紹了對(duì)象模擬、物理相似模擬、過程模擬和模擬放大等幾種模擬方法。?

[關(guān)鍵詞]：物理實(shí)驗(yàn)；模擬法；對(duì)象模擬；相似模擬；過程模擬；模擬放大?

    模擬法是通過設(shè)計(jì)與原型（自然現(xiàn)象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規(guī)律的方法。它隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界最基礎(chǔ)的方法之一。此法應(yīng)用于物理教學(xué)可使事過境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過程在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)，可將現(xiàn)象簡化或進(jìn)行時(shí)空的放大、縮小，可對(duì)那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實(shí)驗(yàn)，模擬法則成了一種重要的輔助手段。?

    物理實(shí)驗(yàn)中的模擬法，根據(jù)其特點(diǎn)及主要功能，并結(jié)合本人教學(xué)實(shí)踐，分為以下四類。?

    一、對(duì)象模擬?

    就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規(guī)律的客觀實(shí)體來代替研究對(duì)象的方法叫對(duì)象模擬。?

    對(duì)象模擬的設(shè)計(jì)思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實(shí)體的主要矛盾和本質(zhì)特征，摒棄次要的非本質(zhì)因素，使研究對(duì)象從客觀實(shí)體中直接抽象出來。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、彈簧振子、點(diǎn)電荷、純電阻、理想變壓器等理想模型，以及天體運(yùn)動(dòng)模型，微觀結(jié)構(gòu)等幾何相似模型。在研究二極管的單向?qū)щ娦詴r(shí)，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用對(duì)象模擬法，用自行車氣門和進(jìn)水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對(duì)“單向性”的認(rèn)識(shí)，而且激發(fā)了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模擬。如地球因自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的科里奧利力比較抽象，在地理課中亦有提及。我們不妨取一只舊的橡皮藍(lán)球（或地球儀）來模擬地球自轉(zhuǎn)，然后將紅墨水從上往下滴落在轉(zhuǎn)動(dòng)的“地球”表面。此時(shí)即可明顯看到水痕西邊呈擴(kuò)散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現(xiàn)象。?

    二、物理相似模擬?

    在科學(xué)研究和工程技術(shù)的許多領(lǐng)域中，人們常常希望利用模擬試驗(yàn)來代替對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的研究，以便使我們可能在一定程度上預(yù)言某些在目前尚無法達(dá)到的條件下出現(xiàn)的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運(yùn)動(dòng)，把設(shè)計(jì)好的收音機(jī)縮小成模型放在風(fēng)洞中試驗(yàn)其特性等。其特點(diǎn)即模擬與原型遵循同樣的物理規(guī)律，故稱為物理相似模擬。?

    巷理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“失重和超重模擬實(shí)驗(yàn)”，“蘿卜”馬德堡半球，帕斯卡裂桶，用帶電的肥皂泡在豎直電場中的平衡進(jìn)行“密立根油滴實(shí)驗(yàn)”的模擬，以及十分壯觀的“可樂瓶水火箭”等，均是物理相似模擬的范例。?

    電場線是用來形象地描述電場的假想的曲線。做好“電場線”的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬，對(duì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)十分重要。因此我們可利用感應(yīng)起電機(jī)、清潔過的彩色絲線（可從舊的錦旗上取得）、金屬鋁板（即老式平行板電容器）等器材對(duì)“電場線”加以形象模擬。制作時(shí)只需將鋁板按自己需要?jiǎng)澇鲂》礁瘢�約1 cm?2間隔打一細(xì)孔（能穿過絲線即可），然后每孔穿上絲線背面打結(jié)，穿好后，將絲線剪成1寸多長左右，（力求整齊一致），過長，易互交結(jié)，不便演示。將兩金屬板平行豎直放置，固定在絕緣支柱上。兩板用導(dǎo)線連接至起電機(jī)上。搖起起電機(jī)，立即可見絲線飛起指向另一板，模擬勻強(qiáng)電場的電場線，十分直觀，且全班學(xué)生均可見。如果供電充足，將在兩板邊緣產(chǎn)生放電，每放一次電，絲線產(chǎn)生振動(dòng)跳躍，確是課堂一大“景觀”。?

    三、過程模擬?

    把具體物理過程純粹化、理想化，并根據(jù)其本質(zhì)特征而設(shè)計(jì)的一種模擬叫過程模擬。其特點(diǎn)是過程簡化，易于控制。?

    氣體壓強(qiáng)的分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子

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