浅谈物理模拟实验软件的制作

浅谈物理模拟实验软件的制作
[摘要] 计算机教学软件可以制作物理的模拟实验软件，而“几何画板”是一款
优秀的计算机教学制作软件,利用它独特的功能设计出的物理模拟实验,能创设出
动态的物理情境,构建逼真的图景,用来辅助物理实验教学,可起到“画龙点睛”的
作用。本文展开制作了一个物理电学实验的过程，展示了利用几何画板制作物理
模拟实验的一些综合技能，探讨为物理课及物理实验课的教学提供了一种新的教
学模式。

[关键词] 实际电压源的伏安特性 物理模拟实验 几何画板
在学习物理课时，学生学习和熟悉定律的过程中有一个很好的方法,可以部
分代替学生的物理实验,它就是模拟实验，模拟实验有它的许多优点、也有它的
局限性,但用在学生学习和熟悉定律的过程中,优点能得到充分发挥;局限性则必
须通过实际操作的物理实验来弥补,因此模拟实验是一个部分代替学生物理实验
的好方法,我们可以把它作为一种辅助教学手段来使用 《几何画板》做出的课件
很适合用于改进物理难点的教学。它在由函数牵动动画的功能上独具一格，使做
出来的物理课件既似模拟实验又可以量化地研究问题，源于实验而胜于实验。教
师和学生可以在课件上进行物理实验的延伸，探索物理条件逐渐变化后的未知结
果，充分体现了计算机在实验与理论之间搭桥的辅助教学作用。

计算机辅助教学的理论认为，由于教学过程不能缺少教师对学生的思想教育
和情感作用，也就是教师的主导作用应与学生的主体作用并举。所以探讨多媒体
教学并不是要用计算机完全取代教师，而是要利用计算机的优越功能，改进教学
的模式，使教师和学生都能在课件平台上发挥作用。《几何画板》做出来的物理
课件就是能起到这样的平台作用。

如何用《几何画板》教学软件制作物理模拟实验，本人在制作过程中用到了
一些《几何画板》综合技能，愿意与大家分享。现举例，展开制作电学实验：“实
际电压源的伏安特性”模拟软件的过程。

（一）实际电压源的伏安特性实验简介：
测量实际电压源的伏安特性实验的电路原理图如图一左上方：其中电阻R
为电压源内阻。方框内看作一实际电压源。需要说明的是：图中电流表测量采用
外接法，由于数字电压表内阻很大，故：电压表上的分流在实验中忽略不计。

（1）实验目的：
学习数字电压表、万用表和晶体管稳压电源等设备的使用方法。
加深对电压源伏安特性的理解。
（2）仪器设备：
晶体管稳压电源一台；数字万用表一只；数字电压表一只；可变电阻
（1000Ω）；电阻51欧姆。

（二）实际电压源的伏安特性实验模拟软件的演示界面及功能介绍：
先将制作好的模拟物理实验软件的界面及功能介绍给大家：
打开实验模拟软件，界面如图一：
界面左上方实验原理图，右上方是测量过程中自动绘出测量的伏安特性曲
线。下方是实际电路连接仿真图。其中可以点击滑线电阻器旁边的按钮使滑线电
阻器的滑头上下移动或停止移动。同时电压表、万用表按照滑线变阻器阻值在电
路中大小而显示对应的电压、电流值。可随时记录测量值，与实际实验效果完全
一样。更方便的是：软件同时可以实时画出对应的伏安特性曲线。如图一右上方：

最为方便的是：双击电路原理图的元件（如电压E或电源内阻R）可输入新
的参数。如：双击R出现对话框，输入R为10欧姆。

点击按钮，将滑线变阻器滑头由上向下移动，电表实时显示测量数据。同时
新的伏安特性曲线实时画出。如图二：

图一
通过绘出的两个伏安特性曲线对比可知：电压源的内阻R越小，其特性越
接近理想电压源。

你还可以方便的改变R或E等参数的大小，绘出不同的伏安特性曲线。
（三）实际电压源的伏安特性实验模拟软件的制作主要过程展开：
首先，准备上述实验所需仪器设备及元件的图片。如图二下方：
其中，数字电压表、数字万用表读数用PS软件擦除，滑线变阻器的可变端
与其它部分分离出来。

在几何画板窗口的左上方画出实验原理图，在窗口下方按原理图，粘贴上述
实验所需仪器设备及元件的图片。再按原理图画出连接线。如图二：

图二
仪器、元件的摆放位置尽量与原理图位置一致便于学生对照。关键是：如何
实现，当滑线电阻器的滑头上下移动或停止移动。同时电压表、万用表按照滑线
变阻器阻值在电路中大小而显示对应的电压、电流值。并同时在右上方实时绘出
本电路实际电压源的伏安特性曲线。

首先先建立含有上述原理图中参数R、E的伏安特性曲线函数并绘出伏安特
性曲线。建立过程如下：

新建参数R=51、E=12，在新建的参数表达式上点击右键，选择：属性——
值——无标签。将参数表达式分别拖动到原理图对应位置（如图一左上方）。然
后选择参数表达式建立伏安特性曲线函数：步骤为：点击图表菜单——绘制函数
—— 选择参数表达式建立伏安特性曲线函数为：r(x)=E-R*X/10。

因绘出的曲线位置在窗口的右上部，故：先将坐标原点移至窗口的右上部。
因为电流为横坐标,单位为mA，而纵坐标为V，要适当调节坐标比例，因此选择
网格形式选为矩形网格以便调节坐标比例。调节后，标上单位及刻度。再绘出伏
安特性曲线,如图三上方：

函数中的r(x)代表电压，x代表电流，Rx被10除是为了配合调节坐标轴比
例。在伏安特性曲线上建立电流的最低测量点A和最高测量点B两个固定点，
在其中间建一沿曲线运动的动点u如图三上方。

同时建一直线，直线长度等于滑线变阻器滑竿长度，两端分别建两个固定点
A1、B1，在其中间建一沿直线运动的动点u1，选中u1,将滑线变阻器的可变端
图片粘贴其上，这样，滑线变阻器的可变端图片就可随点u1沿直线上下运动。
如图三下方：

图三
分别选中点U、A和点u1、A1，点击编辑菜单——操作类按钮——移动，
建立移动点按钮，标签为：“滑头向上”，同样分别选中点U、B和点u1、B1，
点编辑菜单——操作类按钮——移动，建立移动点按钮，标签为：“滑头向下”。
将上述各点及直线、伏安特性函数及曲线隐藏，再将滑线变阻器图片放到对应位
置。当单击按钮滑线变阻器可变端与点u就可同时移动。选中点u，点击：显示
菜单——追踪点，当单击按钮滑线变阻器可变端移动时，即可实时绘出对应的伏
安特性曲线。如图三右部。选中u点，点击菜单度量，分别选取横坐标和纵坐标，
得电压、电流的动态测量值，并选取属性——无标签，选择适当字体、字号、颜
色，分别拖动到万用表和电压表的显示屏上。当点击滑线电阻器旁边的按钮使滑
线电阻器的滑头上下移动或停止移动。同时电压表、万用表按照滑线变阻器阻值
在电路中大小而实时显示对应的电压、电流值。可随时记录测量值，与实际实验
效果完全一样。同时右上方现实的是：测量过程中实时绘出测量的伏安特性曲线。
如图三。

通过此例，可以学会巧妙利用几何画板软件的一些功能，实现物理电学的模
拟实验。实验中的电压表、电流表及示波器上的显示屏随电路参数（如滑线变阻
器的阻值）的改变而实时显示电压值、电流值及扫描曲线。并且，实验原理图中
的所有参数都可以方便地改变（如：E，R），实时得出对应的电压、电流显示值
及扫描曲线。

物理电路模拟实验也可用Tina Pro 和Proteus ISIS等软件来做,它的优点是,
可搭建任意实验电路；任意改变电路参数；能加入不同输入信号并快速得出输出
结果，如:电表测量值或示波器测出的输出波形。如果电路复杂，你不容易计算
出输出结果，用Tina Pro 或Proteus ISIS软件可容易得出实验结果。用于电路设
计、模拟及数字电路的仿真分析等。有多种虚拟测量仪器，各仪器与元件之间采
用虚拟连线。其虚拟测试仪器（如多踪示波器）的动态演示功能，是较好的电类
教学辅助工具。对于教学实验，Tina Pro 或Proteus ISIS软件的缺点是:搭建的电
路图相似于电路原理图,输入信号、输出测量设备是用特定符号在电路图中表示
的,与实际接线实验电路图相差很远。物理电学的教学实验内容，通常是典型实
验电路，输出结果在理论教材有重点的分析过程及运算结果，实验的目的是通过
实验验证理论结果，加深对物理概念的理解。而图一我门设计的模拟电路图是用
可交互的动画教学软件,针对教学实验专门设计制作的。它的电路接线图中的元
件、及测量设备都可通过相机拍摄，取自实际实验电路的素材。实验过程中,电
路参数的改变可用鼠标操作来实现,如：用鼠标拖动转动图一稳压电源的输出电
压旋钮,稳压电源输出电压表指针就同步转动并改变其输出,与实际操作过程非常
接近。教学演示效果更好。开发物理模拟实验软件时，若实验电路较复杂,通常
借助Matlab软件获得输出函数，再用可交互的动画教学软件设计制作模拟电路。

参考文献：
[1]蒙以正.MATLAB5．X应用与技巧[M].北京:科学出版,1999,11.
[2]李瀚荪.电路分析基础[M].北京:高等教育出版社,1993.
[3]邵山.探讨几何画板在中学物理实验中的应用.中学物理.2001(4):71~74.