物理實驗中的模擬法

[摘要]：模擬法作為科學研究的一種最基礎的方法，已在物理實驗教學中日益受到重視，文章介紹了對象模擬、物理相似模擬、過程模擬和模擬放大等幾種模擬方法。?

[關鍵詞]：物理實驗；模擬法；對象模擬；相似模擬；過程模擬；模擬放大?

    模擬法是通過設計與原型（自然現象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規律的方法。它隨著生產和科學技術的發展而發展，是人類認識世界和改造世界最基礎的方法之一。此法應用于物理教學可使事過境遷或稍縱即逝的自然現象或過程在實驗室重現，可將現象簡化或進行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模擬法則成了一種重要的輔助手段。?

    物理實驗中的模擬法，根據其特點及主要功能，并結合本人教學實踐，分為以下四類。?

    一、對象模擬?

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

    對象模擬的設計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質特征，摒棄次要的非本質因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如質點、剛體、理想氣體、彈簧振子、點電荷、純電阻、理想變壓器等理想模型，以及天體運動模型，微觀結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時，在實驗基礎上，運用對象模擬法，用自行車氣門和進水閥門來模擬單向門。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發了興趣，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。如地球因自轉而產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球（或地球儀）來模擬地球自轉，然后將紅墨水從上往下滴落在轉動的“地球”表面。此時即可明顯看到水痕西邊呈擴散狀，從而令人信服的說明北半球南流沖刷西岸這一自然現象。?

    二、物理相似模擬?

    在科學研究和工程技術的許多領域中，人們常常希望利用模擬試驗來代替對實際現象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無法達到的條件下出現的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動，把設計好的收音機縮小成模型放在風洞中試驗其特性等。其特點即模擬與原型遵循同樣的物理規律，故稱為物理相似模擬。?

    巷理實驗教學中的“失重和超重模擬實驗”，“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行“密立根油滴實驗”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”的演示實驗模擬，對實現教學目標十分重要。因此我們可利用感應起電機、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“電場線”加以形象模擬。制作時只需將鋁板按自己需要劃出小方格，約1 cm?2間隔打一細孔（能穿過絲線即可），然后每孔穿上絲線背面打結，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，不便演示。將兩金屬板平行豎直放置，固定在絕緣支柱上。兩板用導線連接至起電機上。搖起起電機，立即可見絲線飛起指向另一板，模擬勻強電場的電場線，十分直觀，且全班學生均可見。如果供電充足，將在兩板邊緣產生放電，每放一次電，絲線產生振動跳躍，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，并根據其本質特征而設計的一種模擬叫過程模擬。其特點是過程簡化，易于控制。?

    氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子

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