仿真实验设计

●潜水艇●压强计●凸透镜成像规律●探究凸透镜成像规律●平面镜成像特点●探究平面镜成像的特点●磁生电●托里拆利实验●微波通信●水位自动报警器●显微镜●观察温度计第4章仿真实验课件实例设计●用温度计测液体的温度●变阻器●探究液体压强的特点●探究光反射时的规律●探究光折射时的规律●近视的形成及补救●眼球与照相机结构、成像原理比较●光的反射定律●光的折射规律●卫星通信●近视眼虚拟配镜室本章主要内容4.1潜水艇设计思路：潜水艇是物体浮沉条件的应用，当它在水面漂浮时，浮力是等于重力的，下潜时，浮力小于重力，当浸没于水面下潜行时，浮力等于重力。潜水艇的下潜和上浮是靠改变自身的重，也就是吸水和排水来实现的。本例设计成通过拖动鼠标来控制潜水艇的下潜和上浮如图4-1所示，潜水艇初始位置漂浮在水面上，水舱中无水，可以在水面上左右拖动，可以往下拖进水中，在水中也可拖动潜行。在往下拖动潜水艇时，水舱中要逐步进水，当潜水艇浸没时，水充满，这时在水中拖动时，水舱中的水不会发生变化。从水中往上拖动潜水艇时，只要潜水艇不露出水面，水舱中的水不发生变化，当逐步露出水面时，水舱中的水要减少，当漂浮在水面上，水舱中的水要排光。本例还要设计交互式原理展示，当潜水艇漂浮时，直接展示漂浮原理；当往下潜入时，展示下潜原理；当潜行时，展示潜行原理。4.2压强计设计思路：压强计是用来比较液体内部压强大小的仪器，利用制作出的本仿真压强计可学习其工作原理。如图4-9所示，压强计主要由U形管、液体、橡皮管、橡皮膜组成。本例要达到的交互目的是：用手轻按橡皮膜，橡皮膜被压，发生形变，左管液面下降，右管液面上升，液体的总体积不发生变化，手压的力越大，橡皮膜形变越大，同时两管中液面的高度差越大，若手离开，橡皮膜和液面恢复原状。4.3凸透镜成像规律设计思路：学习者通过本仿真操作可形象的理解凸透镜成像的规律。本例要达到的交互目的是：如图4-17所示，能在凸透镜的左边水平位置上任意拖动蜡烛；在拖动的过程中，经过凸透镜所成的像也要发生正确的变化，当蜡烛在2倍焦距以外时，成倒立、缩小的实像，在1倍和2倍焦距之间成倒立放大的实像，在以上情况下，像在凸透镜的右边；当蜡烛从左往右拖动时，像要逐渐变大；当蜡烛在焦点上时，不成像；当蜡烛拖到焦点以内时，成正立、放大的虚像，像与蜡烛同在凸透镜的左边，蜡烛越靠近凸透镜，像越大，向凸透镜靠的越近。4.4探究凸透镜成像规律设计思路：上例只是学习者被动的感知凸透镜成像的规律，而本例则要给学习者提供一个完全仿真的实验操作场景，使学生可操作本例的元件来做实验，实验方法和现象同实际实验一致，能够通过实验操作探究出凸透镜成像的规律。4.5平面镜成像特点设计思路：学习者通过本仿真操作可形象的掌握平面镜成像的特点。本例要达到的设计和制作目的是：如图4-34所示，水平桌面上中间放置平面镜，左边放置物体—点燃的蜡烛，右边放置蜡烛成的正立、等大的虚像，蜡烛与像的连线与镜面垂直，它们到镜面的距离相等。初始时，蜡烛在离镜面左边较远处，像与蜡烛是以镜为轴的对称图形关系。物体蜡烛可用鼠标在水平位置上、在镜面左边桌面上任意拖动，在拖动过程中，像的位置、物距和像距标示线也要发生相应的、正确的反应。此外，还要设计光路，在火苗上先确定一发光点S，只取两条从它发出的光成为入射光线射向平面镜，经镜面反射后进入人眼，反射光线的反向延长线的交点S＇就是像上与物体蜡烛上的对称点，入射光线、反射光线、反向延长的虚线都要随物体蜡烛的位置的改变而进行正确的反应。4.6探究平面镜成像的特点设计思路：学习者通过本仿真操作可探究出平面镜成像的特点。本例要达到的目的是：如图4-47所示，水平桌面中间有竖直放置的玻璃，桌面上有可观察距离的刻度，玻璃左端桌面上放置有点燃的蜡烛，在玻璃右端相对称的位置上会出现蜡烛的像，在画面的右边提供没点燃的蜡烛，此蜡烛可用鼠标拖动与像去重合。画面左下边设计有按钮，通过单击它们可任意转动桌面来观察像与物体的关系。4.7磁生电设计思路：学习者通过本仿真操作可探究出什么情况下磁能生电。本例要达到的目的是：如图所示，场景左边放置有U形磁铁，画有磁感线来表示磁场的方向，场景右边有电流表来检测电路中是否产生电流，电流表与导线及能在磁场中上下、左右移动的导体棒组成闭合电路。当拖动导体棒在磁场中水平运动或斜切磁感线时，电流表的指针要发生同步的偏转，即导体棒向左运动时，指针向左偏，导体棒向右运动时，指针向右偏，运动的幅度越大，指针偏转的角度越大，表示电路中电流越大，当导体棒停止运动时，指针要回零。在导体棒运动的过程中，两根导线要随着导体棒伸缩，表示始终是闭合电路状态。当导体做切割磁感线运动时，下方要出现如图中的提示性文字。当导体棒在磁场中做竖直方向上的运动时，指针不发生偏转，说明不切割磁感线时，不会产生感生电流。4.8托里拆利实验设计思路：本例要达到的目的是：如图场景中有静止的铁架台和竖立的米尺、盛有水银的水银槽、细玻璃管、盛有水银的小杯，通过左边的按钮可控制、观看按下列顺序播放的动画：盛有水银的小杯往玻璃管中加满水银→玻璃管竖直→手指堵住玻璃管口→玻璃管旋转成管口向下→玻璃管口浸入水银槽→玻璃管直立→手指离开→水银下降到一定高度后停止。动画播放完后进入如图的互动实验操作场景，可用鼠标按住玻璃管尾部左右轻轻倾斜玻璃管，管中的水银会随着管的变化而变化，同时水银槽中的水银面也要发生相应的变化，水银槽中的水银面与管中水银面之间的高度差始终保持不变，但高度差标志也要随着管的变化而变化。4.9微波通信设计思路：学习者通过本仿真操作可掌握微波通信的原理。本例设计了电视信号从北京传递到新疆的微波线路示意图。仿真实验操作要达到的目的是：每一中继站都设有发射和接收开关来控制本站的信息的接收和发射，当每个机站都正常工作时，如图4-100所示，终点新疆的电视上能显示起点的图像信息，并出现微波传递信息的原理，当关闭其中任一中继站时，电视上显示雪花点，表示无信号。4.10水位自动报警器设计思路：如图所示，本例主场景主要由三部分组成：电磁继电器、水池、反应电路。左下方的水池底和顶各有一块金属与电源、电磁铁相连，水面没有上升时本电路中没有电流，动触点与上静触点接触，使绿灯中有电流通过，所以发光，表示水位正常。本例交互操作要达到的目的是：用鼠标单击进水管按钮时，水池进水，水面上升；当鼠标离开进水管按钮时，停止进水，水面也停止不动；当再单击进水管按钮时，又继续进水，水面上升；当水面上升到与金属块A接触时，电磁铁电路中产生电流，有闪动并流动的线条来表示，衔铁被电磁铁往下吸，动触点与下静触点接触，绿灯熄灭，红灯电路有闪动并流动的线条来表示有电流通过，红灯亮，同时在右下方出现原理。在任何时候，也可单击水池右下方的出水管按钮来放水，鼠标离开时，又会停止放水。放水时，水面要同步降低，当水面离开金属块A时，电磁铁电路中无电流，电磁铁和反应的电灯又返回绿灯亮的初始状态。4.11显微镜设计思路：本例提供了一个实物状显微镜，镜筒上、下端分别设置固定的目镜和物镜，目镜处设有眼睛来观察成像情况，右方同步提供眼睛观察到的影像图；单击粗准焦螺旋的左右两边可使镜筒在一定范围内上下移动来对焦，单击细准焦螺旋的左右两边也可使镜筒在一定范围内上下移动，只不过移动的幅度小的多，用于精确对焦；本例设计有一玻片标本放置于显微镜右边，可拖动至载物台上；可单击反光镜两端来改变其偏转角度来对光，为了模拟真实光线情况，可用右边光路选择按钮调出光线来辅助对光。4.12观察温度计设计思路：学习者通过操作、观察仿真温度计，能认识温度计的刻度和量程，会读数。本例制作要达到的目的是：如图4-159所示,设计一支普通温度计，能在一定范围内拖动；设计放大和缩小按钮，可方便的将温度计放大和缩小，配合拖动来仔细观察温度计；设计检查观察结果的题目，题目中设计文字动态输入区来填空输入观察数据，并通过按钮控制对输入的数据进行智能判断，给出对与否的结论。任何情况下都可重填后再提交，进行重新判断。4.13用温度计测液体的温度设计思路：学习者通过操作使用本例仿真温度计，能学会温度计测液体温度的方法，能正确读数。4.14变阻器设计思路：学习者通过变阻器连线和用其调节电路中电流的大小来控制电灯的亮度练习，能理解变阻器的原理，掌握变阻器的使用方法。本例要达到的交互目的是：设计如图所示的实验操作场景，开关右接线柱与变阻器没有连线，学习者可按提示单击此接线柱开始连线，线为直线，起点为此接线柱，终点随鼠标运动，可以连接到变阻器上的A、B、C三个接线柱上，选择其中的任一接线柱，单击鼠标结束连线，就会在开关右接续柱与所选择的接线柱之间连上电线。4.15探究液体压强的特点设计思路：学习者可通过操作仿真压强计来探究液体内部压强的规律。鼠标按住手柄可上下移动橡皮盒，使之可浸入液体不同深度，浸入的越深，橡皮膜凹陷的越利害；右边的U形管中的红色液体在橡皮盒没浸入液体中时，左右两边液面是相平的，当橡皮盒浸入液体后，左管液面下降，右管液面上升，即两边液面存在高度差，并且橡皮盒浸入的越深，两边液面的高度差越大；可单击手柄处的摇柄来改变橡皮盒的方向，使其可向下（默认）、向上、向内、向外，在同一深度，改变橡皮盒的方向时，U形管中两边液面的高度差保持不变；可单击“水”和“盐水”按钮来选择杯中的液体，当液体由水变为盐水时，U形管中两边液面的高度差要变大，因为盐水的密度大于水的密度，当液体由盐水变为水时，U形管中两边液面的高度差则要变小；液面要随着橡皮盒的浸入、上下移动发生相应的升高或下降。4.16探究光反射时的规律设计思路：学习者通过操作本仿真实验，能探究出光反射时的规律，从而总结出光的反射定律。设计如图所示的实验操作场景，左上方为实验提示，主体部分为竖立在平面镜上的纸板，纸板中间的ON为法线，垂直于镜面。ON的左侧有激光灯射向入射点O的入射光线，入射光线与纸板在同一平面上，在ON的右侧设计有反射光线，也与纸板在同一平面上。反射角r等于入射角i。右方设计有量角器，可任意拖动来测入射角或反射角的值。场景的左下方设置有“改变入射角”和“折动纸板”的交互按钮。4.17探究光折射时的规律设计思路：学习者通过操作本仿真实验，探究光折射时的现象，从而总结出光的折射规律。本例要达到的交互目的是：设计如图4-234所示的实验操作场景，左上方为实验提示，主体部分有盛满水的水槽，激光灯发出的光线从空气中斜射入水中，在入射点O处有垂直于水面的法线ON，在ON右侧的空气中有反射光线，在ON右侧的水中有折射光线。4.18近视的形成及补救设计思路：学习者通过操作本例，可明白形成近视时眼球所发生的变化，并可探究用什么类型的镜片来补救。本例要达到的交互目的是：本例由动画和交互操作设计两部分组成：动画部分演示近视的形成，交互部分探究对近视眼如何补救。学习者可将下方的凸透镜或凹透镜拖到眼球前的线框中看是否能补救近视眼。如图所示，当把凹透镜拖到线框中时，凹透镜会将折射光线发散，再经晶状体折射后，光线会发散一点，清晰的像就会成到视网膜上，同时，场景下方出现原理；当把凸透镜拖到线框中时，凸透镜会将光线会聚，再经晶状体折射后，光线会聚的更厉害，清晰的像离视网膜越来越远，视网膜上像变得更模糊，场景下方也要出现原理。4.19眼球与照相机结构、成像原理比较设计思路：学习者通过操作本例，能知道眼球与照相机结构相似、成像原理相同，眼睛好似一架高级照相机。本例要达到的交互目的是：如图所示，场景中提供眼球与照相机结构、成像对照图，下方出现照相机与眼球可拖动的提示。如图所示，在任意情况下也可用鼠标将眼球往左拖动一定的距离，在拖动的过程中，晶状体离树木越来越近，折射光线也会发生相应的变化，可观察到视网膜处的像变的也越来越大，同时下方出现眼球成像的原理。在向左拖动眼球的过程中，可观察到晶状体变得越来越薄，这表示眼球随着离物体距离的变化还会自动改变焦距。拖到左方后，也可向右再把眼球拖回原处，折射光线和像也会发生相应的变化。4.20光的反射定律设计思路：如图所示，在水平平面镜面上竖直放置一白色平面纸板光屏，光屏中间