计算机仿真技术在中学物理自感现象中的应用

巩金秋

摘 要：近年来，随着我国社会经济的快速发展，信息科技水平快速提高，将计算机技术对现阶段我国高校实验中心建设的设计理念进行结合，以解决中学物理实验教学过程中存在的瓶颈问题为目标，提出将虚拟仿真實验理念与技术应用到中学物理实验教学的思路，以期为中学物理有关实验的顺利开设提供参考。

关键词：计算机仿真技术;中学物理;自感现象;应用

引言

随着信息技术的不断进步，物理实验不再局限于实验室，通过计算机仿真实验越来越受到教师和学生的喜爱，因为计算机仿真实验具有可视性好、简单快捷的优点，而且不受时间和空间的限制。把仿真软件应用到中学物理实验中既是对传统物理实验教学的一种补充，又是一种新的尝试和改革。

1计算机仿真技术在中学物理中应用的优势

1.1投资较少，相对灵活

与实物实验相比，仿真实验的成本及后续所需资金都较少，且占用场地较小，相对灵活，实验课的安排与调整比较方便。

1.2安全性高，不受外部因素的影响

在长期使用后由于元器件出现磨损会造成实物仪器测量误差偏大，准确度及精确度会下降，校准和维修的次数也将增加，而且容易受到如温度、湿度、气压、光照、等外部因素的影响，使得仪器的稳定性降低。而仿真实验不会受到以上因素的影响，实验会在程序设计者预先设定好的理想状况下进行，从而获得良好的实验效果，能够避免因为失误或者操作不当造成实验失败给学生带来的挫败感。此外，用实物进行实验不但会消耗实验耗材，还将会产生实验垃圾，而仿真实验不会遇到这些问题。

1.3能够克服时间和空间的制约

如今互联网技术的发展使网络教学得到了可靠的技术保障，学生能够通过网络登录虚拟实验室随时随地进行仿真实验的操作，使传统实验室受时间和空间制约的不利条件得以克服。教师可通过利用传统实验教学模式的优势，结合虚拟实验室和远程网络教学从而形成多维的物理实验立体教学的新模式。

1.4能够提高学生的学习兴趣

因为物理仿真实验采用最先进的计算机软件开发技术，实验环境自然逼真、形象直观、内容丰富，有利于提高学生的学习兴趣。

2计算机仿真自感现象的意义

自感现象普通高中教科书物理选择性必修课，是电磁感应章的最后一节，是前面楞次定律最具代表的例子。学习该节知识，不仅能够让学生了解楞次定律与生活的联系，还能为后面学习电感元件在交变电流中作用打下良好的基础。在学习自感现象的过程中，学生能观察到课本演示实验中电灯泡的发光情况，但他们很难说清灯泡发光亮度变化的原因，只能用比较抽象的楞次定律来解释这一现象。而且自感现象有时候并不明显，很多同学也不了解自感现象。借助计算机仿真软件来实现电路中电流的可视化，可以让学生看到电流在电路中的变化情况，从而直观认识自感线圈对电路的影响。

3演示自感现象的实验设计

3.1实物演示自感现象

自感现象指一个线圈中的电流发生变化时，会在线圈中产生感应电动势。下面先通过实物演示通电和断电的自感现象，再应用计算机仿真软件对两个电路进行仿真，观察电路中电流的变化规律。

（1）通电自感现象演示

如图1所示，两个灯泡A1和A2的规格相同，A1与线圈L串联后接到电源上，A2与可调电阻R串联后接到电源上。先闭合开关S，再调节电阻R，使两个灯泡的亮度相同，再调节可调电阻，使它们都正常发光，然后断开开关S。重新接通电路，观察开关闭合时两个灯泡的发光情况。在实验室中按照电路图1连接好实物图，当开关S闭合的瞬间，会观察到小灯泡A1先发光，而A2缓慢变亮。在上面的演示中，当闭合开关的瞬间，电流从无到有，线圈L中产生感应电动势。根据楞次定律，感应电动势会阻碍电流增加，所以灯泡A1会逐渐亮起来。

（2）断电自感现象演示

按课本上的电路图连接好电路，然后关闭开关，使灯泡正常发光，然后再断开开关。在演示此实验时一定要提醒学生观察当断开开关的一瞬间，灯泡的发光情况。在实验室中按照电路图连接好实物图，首先闭合开关S，让小灯泡正常发光，然后再断开开关，断开过程中要注意观察小灯泡的发光情况。当在灯泡发光稳定之后断开开关的一瞬间，观察到小灯泡会闪一下再慢慢变暗，与生活中观察到的现象有所不同。在开关断开的一瞬间，根据楞次定律，自感线圈会产生自感电动势来阻碍导线中的电流减小。

3.2计算机仿真软件演示自感现象

为了让学生更加直观地了解开关闭合和断开时电路中的自感现象，借助计算机仿真软件进行仿真。因为借助计算机软件能观察电流的实时变化情况，所以如果引入计算机软件，能让学生更直观地了解自感现象产生的原理。

（1）计算机仿真软件辅助演示通电自感现象

本文用计算机工具里的Simulink对图1所示的电路进行仿真，具体方法如下。

①搭建模块

首先，打开计算机软件中的Simulink，新建一个窗口，然后根据图1选择相应的模块，点击SimPowerSysterms从中找到电源模块，把它拖动到新建的界面中，然后再设置电压值。电压值与实物实验的电压一样，为10V。其次，在Measurements里找到电流表CurrentMeasurement，并Elements里找到ParallelRLCBranch模块。再次，在Simulink-Sinks中找到开关模块Signalrouting，把它拖动到界面中。最后，在Simulink-Sinks中找到显示模块Scope，双击插入新建界面中。用小电阻A1、A2代替小灯泡，将小电阻的阻值设置成与小灯泡一样的阻值，为10Ω。

②进行连接

把上面的模块按照对应的电路图进行连接，连接好的图如图1所示。

③运行仿真

点击开始运行按钮Simulation，等待几秒钟，在示波器Scope框中就能看到结果。电流表1的测量结果如图2所示。

通过把计算机仿真软件引入演示自感现象的实验中，可以清晰地看见电路中电流的变化情况。图2呈现的是不含自感线圈的电路，当开始仿真运行时它的电流先变大后缓慢减小，之后达到稳定状态。同样，对于电流表2，它在含有自感线圈的电路中，当开始仿真运行时它的电流先缓慢变大，然后达到稳定状态，正好验证了楞次定律。

（2）计算机仿真软件辅助演示断电自感现象

具体流程与前面利用计算机仿真软件辅助演示通电自感现象的流程一样。通过把计算机仿真软件引入演示自感现象的实验中，可以清晰地看见电路中电流的变化情况：对于不含自感线圈的电路，当开关处于闭合状态时，在断开开关的一瞬间，电流方向会发生改变，随后电流缓慢减小，之后减小为0;对于含有自感线圈的电路，当断开开关的一瞬间，流过它的电流快速减小，之后变为0，也验证了楞次定律。

结束语

本文以演示自感现象为例，通过实物演示了自感现象，还引入仿真软件来仿真自感现象，丰富了实验教学手段，能够让学生更好地理解自感现象。把计算机仿真软件应用到物理教学中，虽然能够激发学生的学习兴趣，但是也存在一些不足之处，例如由于过度依赖虚拟实验仪器，不利于学生实际动手能力的提高。因此，教师要将仿真实验和实物实验结合起来，互为补充。

参考文献

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