模拟与仿真技术在物理实验中的应用

浅论虚拟技术在中学物理实验中的运用

当前，虚拟现实技术（简称虚拟技术）的进一步发展与应用为虚拟实验的发展已经带来了新的变化，虚拟技术采用了3d数字化技术与多传感交互技术，可视化技术能够进行高分辨显示，虚拟技术还能够生成逼真的虚拟场景，能够使用户与场景之间进行实时交互与感知以及操作虚拟对象等。因此，虚拟技术运用到中学物理实验中，其产生的性能于教学效果会更好更佳。

一、虚拟技术与虚拟实验概况

虚拟技术的概念最先在1989年的美国提出的，它实质上是一种在计算机领域产生的最新技术。虚拟技术的特点在于以模拟的方式为需求用户创造特定虚拟的环境，并使用户通过视、听、触等感知行为能够产生一种沉浸于虚拟环境的特殊感觉，用户能够与虚拟环境相互作用并且引起虚拟环境的按照要求实时变化。目前的虚拟技术已广泛地应用到科研系统仿真与科学可视化以及三维动画等方面。虚拟技术已经发展为计算机研究的一个新领域，在近年来逐渐引起各界广泛关注，并且在应用领域已经得到进一步发展。虚拟技术是一系列高新技术的集合，同时汇集了计算机图形学与仿真技术，多媒体技术和人工智能技术，人机接口技术与传感器技术，图形图像实时生成技术与网络技术，同时还汇聚人的行为学研究等多项关键技术。所有这些技术高层次的集成与渗透必然使虚拟现实技术能够给用户以逼真与奇妙的环境体验，可以使用户通过使用各种特殊装置将自己全部投入到这个特殊环境中，能够去探索宏观世界与微观世界中由于种种原因不能够直接观察的事物运动变化等规律。

虚拟技术可以界定为，是一种逼真地模拟人们在自然环境中产生的视觉、听觉以及运动等行为的人机接口关键技术。虚拟技术利用3d数字化系统与多传感交互技术和高分辨显示技术的科学可视化技术等，在整体上生成三维逼真的虚拟环境，用户借助于特定设备，就可以进入到特定虚拟空间，并且成为虚拟环境的一员，方便地进行实时交互，进而感知与操作虚拟世界中的各种虚拟对象，真正获得身临其境的感受与体会。虚拟实验通常是指由虚拟技术生成的一类适于进行虚拟实验的成套的实验系统，一般包括相应实验环境和有关的实验仪器设备，以及实验对象和实验信息资源等部分。虚拟实验能够使学生方便直观地观察大到宇宙天体，最小到原子微粒，或者需要经历几十年乃至几千年才能完成的变化规律。

虚拟实验室Proteus在物理教学中的应用

殷建彬

关键字：模拟仿真 Proteus

摘要：简要介绍Proteus软件，演示Proteus自带的和中学教学有关的几个例子。

中学物理教材里有许多课堂演示试验，实际做实验时要耗费大量的实验材料，并且有的学校还不具备做物理实验的条件。实际上，目前有好多电脑软件能够模拟实验了。Proteus是新的电路设计、分析软件，它是由英国Labcenter公司（官方网站：/）出品。最近，笔者把它用到物理实验教学中，引起了学生的极大兴趣，收到了意想不到的效果。下面把使用体会向大家介绍一下。

Proteus的下载和安装

首先从网站下载Proteus的DEMO版软件，最新的版本是6.8。DEMO软件只是没有存盘的功能，其它功能没有限制。下载时需要你填写一下所需要的组件，我们不妨都下载下来。下载后安装，一路NEXT即可安装成功。安装后，鼠标点击“开始”，再点击“程序”，找到“Proteus 6 Demonstration”程序，出现如图1所示的情形。 其中ISIS是仿真模拟设计SCH设计程序，ARES是线路板PCB设计程序。我们需要的是ISIS，点击它，打开如图2所示的界面。

我们首先体验一下它的模拟仿真的妙处。

电容充放电试验

在图2的界面，点击菜单“File”下的“Load Design”，在出现的对话框找到Proteus的安装目录下的C:\Program Files\Labcenter

Electronics\Proteus 6 Professional\SAMPLES\Animated Circuits文件夹，Caps01、Caps02、Caps03是几个电容充放电的例子，我们首先打开Caps01，在如2界面的中央出现图3所示的电路，点击左下角的模拟调试按钮，电容就开始充电了，你会看到从电源的正极接到电容正极的导线变成了红线，还带有红色的箭头，地线则变成了蓝色，有蓝色的箭头；随着时间的延长，电容正极的红色“＋”号越来越多，电容负极的蓝色“－”号也越来越来越多；在充电的时候，灯泡还在发光，当充满后，灯泡就不在发光了，效果图如图3所示。

仿真技术在中学物理实验探究式教学中的应用　彭成生　陶　湘　（１于都县步前初中，江西于都３４２３０２；２江西省新建县第一中学，江西新建３３０１００）　摘要：作者对光的衍射实验进行了仿真，并分析讨论　了仿真技术在开展探究式教学中的应用。　关键词：仿真技术　中学物理实验探究式　物理是一门以实验为基础的自然科学，物理实验是中学　物理教学的重要环节。新课程标准特别提出在中学物理教学　中应注重学科探究式教学，对教学手段和教学方法提出了新　的要求和挑战。仿真技术作为现代化教学手段之一，其在中学　物理实验探究式教学中的应用受到越来越多教师和研究者的　关注，并进行了许多研究…一Ｅａ］。我根据新课程标准选修实验之　一：“通过实验认识光的干涉、衍射、偏振现象已经在生活中的　应用”，以光的单缝衍射为例，通过计算机仿真，开展探究式教　学，取得了很好的教学效果。　１．光的单缝衍射原理和仿真㈨　ＪＦ＇　

图１　单缝衍射的光路图　如图１，单色光入射到狭缝上，发生衍射，在Ｐ点产生叠加．　形成衍射图样。Ｐ点的光强为：Ｉ＝Ｉ。（ｓｉｎｃ￣）２，其中　：—Ｉｒａ＿ｓｉｎＯ，ａ为　０【　＾　缝宽度。　利用ＭＡＴＬＡＢ语言对其进行仿真：　ｆ＝７ＯＯ；ａ＝Ｏ．０４；％设置缝宽　ｒ＝－７ＯＯｅ一６：％设置波长　ｘ＝ｌｉｎｓｐａｃｅ（一２０，２０，３Ｏ０）；　ｓｅｔａ＝ａｔａｎ（ｘ／ｆ）；ａｐｈｒ＝２　ｐｉ　ａ　ｓｉｎ（ｓｅｔａ）／ｒ；Ｉｒ＝（ｓｉｎｃ（ａｐｈｒ））．＾２；％计　算光强　ｆｏｒｉ＝ｌ：５０　１ｗ（ｉ　１）＝Ｉｒ；　ｅｎｄ　Ｉ＝１ｗ　２５５；ｉｍｓｂｏｗ（Ｉ）；％显示衍射条纹　得到仿真结果如图２，衍射条纹中央是亮条纹，两边是对　称的、亮暗相间的条纹。　图２单缝衍射仿真结果（ａ＝Ｏ．０４ｍｍ，７，＝７００ｐｍ）　２．探究式教学过程　开始时我列举生活中的衍射现象，学生还是饶有兴趣的，　但在讲解衍射的过程和原理时，很多学生都表现出迷惑和无　趣。当我给出仿真效果时，学生马上来了兴趣。启发：如果我们　改变狭缝的宽度，结果会是怎么样的呢？请总结衍射现象随缝　宽变化的规律（仿真结果如图３）。　图３单缝衍射仿真结果（ａ＝Ｏ．０８ｍｍ，Ａ＝７００ｐｍ）　总结：比较图２和图３可知，随着缝宽的增大，衍射条纹变　密变细；同理．随着缝宽的减小，衍射条纹变宽变粗。　学生探究：如果狭缝一直增大，结果又会怎么样呢？一直　减小结果又会怎么样呢？产生明显的衍射现象对狭缝宽度有　什么要求？　学生探究：如果怎就狭缝数又会有什么结果呢？　教师启发：如果我们改变入射光波长，结果会是怎么样的　呢？请总结衍射现象随光源变化的规律（仿真结果如图４）。　图４单缝衍射仿真结果（ａ＝０．０４ｒａｍ，；￣＝４３６ｒａｍ）　总结：比较图２和图４可知，随着波长的减小，衍射条纹变　密变细；同理，随着波长的增大，衍射条纹变宽变粗．　学生探究：如果使用白光作光源，结果会怎么样呢？（仿真　结果如图５）　■圈　¨　啊■　图５白光单缝衍射仿真　总结：白光是复合光，当用白作为光源时，中央是白色的　（２）第１ｓ末到第３ｓ末：　（３）第４ｓ内。　解析：（１）在第ｌｓ内物体的Ｖ—ｔ图像为倾斜的直线，且速度　越来越大，表示物体做加速度恒定的匀加速直线运动，ｔ＝Ｏ时．　。：０，ｔ：１　时，ｖ．：４ｍ／ｓ。则加速度为ａ：—Ｖｔ￣—Ｖ０：兰二０＿ｒＩ１／ｓＺ＝４ｒｎ／ｓ　ｔ　ｌ　故第１８内质点由静止始沿正方向做加速度为４ｔｒｄｓ‘的加速　直线运动。　（２）由图像知在从第１ｓ末到第３ｓ末时间内，加速度为　—Ｖｔ－—Ｖ０：　＿４　２＿一２ｍ／ｓ　ｔ　２　ａ，＜０，表明其方向与正方向相反。　故质点在第１ｓ末到第３ｓ末的时间内沿正方向做减速直线　运动，初速度为４ｍ／ｓ，末速度为０，加速度为一２ｍ／ｓ　。　（３）在第４ｓ内，Ｖｏ＝０，Ｖｔ＝一２ｍ／ｓ。故加速度为　Ｖｔ一　０—２—０　，２　＾，２　ａ３＝——。　—一＝———ｉ—一ｎ　ｓ＝一　Ⅱ　ｓ　质点在第４ｓ内沿负方向由静止开始做加速运动．其加速　度为一２ｍ／ｓ　。　点评：①匀变速直线运动的图线是倾斜的直线，其斜率表　示了加速度的大小。②求各段时间内的加速度时，须首先确定　质点在相应时间内的初速度和末速度的大小和方向，代入公　式ａ＝　计算时，要注意ｖ　和ｖ　的正负。　

虚拟仿真技术在近代物理实验教学中的探讨

李明标

（渤海大学数理学院，辽宁 锦州 121013）

摘要：分析了近代物理实验教学中引入虚拟仿真技术的意义，探索仿真实验辅助近代物理实验的教学路线，形成了电子教案理论指导-虚拟仿真软件预习操作-物理实验测量检验的物理实验教学新模式，归纳总结了教改实施的效果。

关键词：近代物理实验；虚拟仿真；教学模式；实施效果

Discussion of virtual simulation technology in modern physics experiment teaching

Li Ming-biao

(College of Mathematics and Physics, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

Abstract: In this paper, the significance of introducing virtual simulation technology into modern

physics experiment teaching is first investigated. Then, the teaching route of simulation

experiment to assist modern physics experiment is explored. A new model of physics experiment

teaching has been formed, which is instruction of electronic teaching case - virtual simulation

software preview operation - physical experiment measurement test. Finally, the effect of