大学物理仿真实验

大学物理仿真实验研究黄立一、大学物理仿真实验的概念大学物理仿真实验是通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，通过对实验环境的模拟，加强学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，并加强对仪器功能和使用方法的训练，培养设计思考能力和比较判断能力，可以达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的。二、研究背景、现状以及研究的目的与意义1、背景20世纪初仿真技术已得到应用。如在实验室中建立的水利模型。40～50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真实验技术的进步。60年代之后计算机技术的发展，为仿真实验提供了先进的平台，加速了仿真技术的发展。近年来，随着教育改革的不断深化，实验教学取得了很大的进展，但实验教学中还是存在不少问题的。将计算机虚拟技术引入物理实验教学可改善一些问题。目前，虚拟技术在物理实验教学中的应用主要是用计算机模仿真实物理实验。作为计算机辅助物理实验教学的一个新的发展方向—仿真物理实验，己经成为了大学物理实验的一个新亮点。2、现状国外对于仿真实验的研究始于上个世纪八十年代末，当时一些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加以控制。如美国科罗拉多州大学物理教育技术中心设计的以JAVA技术为主的仿真项目。上世纪九十年代初，国内一些高校就开始致力于计算机仿真实验的开发与研制。目前最权威的仿真实验教学系统是中国科技大学天文与应用物理系开发的大学物理仿真实验教学系统。3、目的与意义通过仿真物理实验学习，学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，可达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的，同时增强了学生对物理实验的兴趣，大大提高了物理实验教学水平，是物理实验教学改革的有力工具。三、大学物理仿真实验的优缺点1、优点目前，大学物理仿真实验还不能达到与真实实验完全一致的程度。但与真实实验相比，仿真实验也有很多优点:（1）通过对实验进行模拟，使学生通过仿真软件对实验能有直观的认识。（2）在实验中仪器实现了模块化，学生可对提供的仪器进行选择性组合，用不同的方法操作同一个实验，培养学生的思考能力和对各种实验方法的优劣、误差的比较和判断能力。（3）学生必须理解实验、认真思考才能正确操作，避免了真实实验中出现的盲目操作和实验中走过场现象，使学生受益。（4）对实验的相关理论进行了讲解，对实验的历史背景、意义、应用等方面都作了叙述，使仿真实验成为连接理论与实验，培养学生理论与实践相结合思维的崭新模式，使实验教学在时间和空间上得到延伸。（5）实验中产生的待测物理量是随机的，同时实验的不同学生和同一学生的不同次操作会产生不同的结果。对实验误差也进行了模拟，以评价实验质量的好坏。（6）具有多媒体配音解说，方便使用。2、缺点仿真实验以仿真的软件为主要实验器材，它所模仿的元器件、仪器仪表与真实的必然存在着一些差异。此外，将仿真实验应用于实验教学，它的整个实验过程都不是在真实环境中操作完成的，所以仿真实验在实验教学中还具有一定的缺点。(l)会降低学生对基本实验操作技能的重视程度在操作仿真物理实验的过程中，学生会只将注意力集中到软件操作上，而降低对基本实验技能训练，甚至可能由于缺少实际动手机会，妨碍学生利用现成的简单设备进行探索和实验。(2)减弱对仪器的真实感受和基本技能的训练一味使用仿真实验会减弱学生对真实仪器的感受和实验技能的训练程度。此外，在实验仪器相互连接时一般还要考虑到很多情况。例如，电学实验中导线间接触不良会影响整个实验。在仿真实验中时，一些不正确的操作习惯和思维盲点很少会直接影响到实验结果。(3)降低了学生应对偶然事件的能力在真实实验中遇到仪器故障等偶然事件，会使学生遭遇困难，给了学生克服困难的机会，提高了学生解决问题的能力。而仿真实验的环境理想，减少了学生应对偶然事件、克服困难以及对实验仪器的常规检查的机会。四、相关软件1、JAVAJAVA是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由美国的SunMicrosystems公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台的总称。Java技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。目前，很多国家都建立了基于JAVA技术的仿真实验系统。如美国俄勒冈大学物理系主办的物理仿真实验网站，该网站中的实验展示素材程序是运用JAVA语言编写的。2、VRMLVRML即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。VRML是虚拟现实造型语言的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的虚拟世界。目前，国内有的高校利用VRML成功开发了基于集成声音、图像及其它多媒体技术的三维空间的仿真实验中心。华中科技大学开发的液压元件装拆实验，液压元件装拆实验能使学生在仿真的环境中仔细观摩各零件的结构特征，明确各零件的相互装配关系并可以亲自动手进行元件的装配和拆卸。3、FLASHFlash是由macromedia公司推出的交互式矢量图和Web动画的标准，由Adobe公司收购。设计者可以使用Flash创作出既漂亮又可改变尺寸的导航界面以及其他奇特的效果。Flash也是存储芯片的一种，通过特定的程序可以修改里面的数据。Flash，是一种创作工具计算机软件。其最新版本AdobeFlashProfessionalCS5为创建数字动画和交互式Web站点提供了功能全面的创作和编辑环境。Flash广泛用于创建吸引人的应用程序，它们包含丰富的视频、声音、图形和动画。设计人员和开发人员可使用它来创建演示文稿、应用程序和其它允许用户交互的内容。Flash可以包含简单的动画、视频内容、复杂演示文稿和应用程序以及介于它们之间的任何内容。通常，使用Flash创作的各个内容单元称为应用程序，即使它们可能只是很简单的动画。也可以通过添加图片、声音、视频和特殊效果，构建包含丰富媒体的Flash应用程序。除了以上介绍的三种软件之外，还有一些针对具体专业学科的仿真软件:比如开发电子电路技术类仿真实验时，可选用Labview，LabwindowsCVI等仿真软件;开发自动控制原理类仿真实验时，可选用Matlab等仿真软件;开发电子系统和控制系统类仿真实验时，可选用Mentor，Matrix等仿真软件;开发包含仿真视境类仿真实验时，可选用OpenGl，MultiGen等仿真建模软件。五、实验实例1、原理一个长度为2L，匝数为N的只螺线管，导线中的电流为I是，其轴线上某一点P磁感应强度为：μ0=4π*10-7（特斯拉·米∕安培），R为螺线管的半径，为单位长度上的匝数，x为P点到螺线管中心的距离。L、R和x以米为单位，I以A为单位，则B的单位为特斯拉。02222[]2()()nIxLxLBRxLRxLm+-=-+++-螺线管电流方向和锁产生磁场方向的关系符合右手定则，如图所示：若LR,则在螺线管中心及其附近而在螺线管两端有0BnIm=0nIB=2m当螺线管F中通过交变电流时，则在螺线管中长生一个与电流成正比的交变磁场；其磁场强度为式中Cp是比例常数。这时，如果吧探测线圈F1放在螺线管F的内部或附近，在F1中就会产生感生电动势e（t）。感生电动势的大笑取决于穿过F1的磁通量变化率，只要F1的截面积S1比较小，匝数N1比较少，则穿过F1的磁通量近似等于ψ=N1S1B（t）式中B（t）是F1所在处的磁感应强度垂直于S1的分量。由电磁感应定律：()sinoitItw=110110()cossin()2detNSBtNSBtdtyp=-=-=-+感生电流方向与磁通量ψ方向及的大小变化的关系符合楞次定律，如图所示：设e（t）的有效值为V，B（t）的有效值为B，则V=N1S1ωt或式中r1是探测线圈的半径，f是交变电流的频率（也就是信号源的频率）。可见，利用一个已知的探测线圈，把它放在交变磁场中的各个点，测出探测线圈中的感生电动势就可以求得磁场的大小。1111222BNSNfVVrwp==2、实验操作下图为主界面右击主界面以开始操作。下图所示为接线图界面，图中绿色线需操作者自己连接。实验内容1测量螺线管F的磁感应强度B图中左上角为探测线圈位置粗调，每单击一次鼠标左键或右键移动0.5cm，右上角为探测线圈位置细调，每单击一次鼠标左键或右键移动0.1cm，具体位置见图中的标尺读数。通过鼠标左击或右击图中的低频信号发生器的调节螺母调节电流频率和电流大小，频率在频率读数中显示，电流读数见电流表。测量时打开低频信号发生器和毫伏表的开关，右击图中的开关使其打到右侧，因毫伏表需经常短路调零，所以需经常左击开关使其打到左侧让毫伏表短路。数据处理界面如下图，只要将数据输入到对应的文本框内，然后在坐标系上用鼠标点上相应的点，点击画线，数据分布图就出来了。实验内容2测定直螺线管轴线上的磁场分布操作界面如图所示将实验内容一中的电流表取下，完成电路，其余与实验内容1中的操作相同数据处理界面如下图：6结语本文首先叙述了大学物理仿真实验的概念、研究背景、研究现状以及研究大学物理仿真实验的目的和意义，接着讲述了大学物理仿真实验的优缺点，然后又具体介绍了大学物理仿真实验所用到的3种软件JAVA、VRML以及FLASH，并以“螺线管磁场测定实验”为例介绍了中国科学技术大学基础物理中心开发的大学物理仿真实验软件的具体操作方法。