计算机教学软件在物理模拟实验中的应用

摘 要：本论文通过叙述用计算机教学软件制作物理模拟实验软件的过程,展示了利用几何画板制作物理模拟实验的一些综合技能.同时显示了计算机模拟软件方便的演示功能和强大的实验数据处理功能.

关 键 词：物理模拟实验；几何画板；一阶网络的零输入响应；扫描

计算机软件模拟物理实验可以改进传统实验效果.尤其是它的演示效果及强大的实验数据处理功能,大大地提高了物理实验课的教学效果,利用它来辅助教学,为物理课及物理实验课的教学提供了一种新的教学模式.《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.

由于《几何画板》课件在人机对话时只用鼠标操作,而不需要掌握计算机专用术语和键盘操作,因此专心于物理知识而缺少计算机知识的师生也很容易操作.在使用《几何画板》辅助教学的课堂上,无论是学生还是来听课的老师,都感觉不到是为显示计算机而用计算机,而是在很容易理解的物理图景面前,大家都沉浸在思考的气氛之中.

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.

如何用计算机教学软件《几何画板》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,展开电学实验中“一阶网络的零输入响应”的软件制作过程.

(一)一阶网络的零输入响应实验简介：

电路原理图如图一左上方：

（1）实验目的：

1、研究一阶网络的零输入响应的基本规律极其特点,了解电路参数对相应的影响.

2、学习示波器测量脉冲信号的基本参数以及一阶网络响应的参数.

（2）仪器设备：

3.动态电路板一块.

(二)一阶网络的零输入响应实验软件演示界面及功能介绍：

打开实验演示软件,界面如图一：

界面左上方实验原理图,右方是是示波器及测量过程中自动绘出测量的伏安特性曲线.

双击电路原理图的元件（如电压U0或电阻电容C）可输入新的参数.如：双击R出现对话框,输入R为2000欧姆.如图一中下方：

点击扫描按钮,在示波器屏幕中,新的伏安特性曲线实时画出.如图一右,在示波器上可对比R等于1000欧姆及R等于2000欧姆时,对应的一阶网络的零输入响应的曲线图.同理,当R等于1000欧姆,可输入电容的不同值,即：C等于0.001微法,C等于0.002微法时从示波器上看一阶网络的零输入响应的输出曲线比较.

通过对比可知：时间常数RC越小,衰减越快；时间常数RC越大,衰减越慢.由此我们可以看到,《几何画板》课件并不是简单地模拟物理现象,而是可以通过连续改变某些参量,量化地探讨问题的答案.

你还可以方便的改变电压U0等参数的大小,绘出不同一阶网络的零输入响应的输出曲线.而在计算机软件几何画板上,测量实验数据及处理数据非常方便、快捷.我们知道：一阶网络的零输入响应时间常数τ的几何测量方法是：过起始点（0,U0）作一阶网络的零输入响应的曲线的切线,与时间轴交点的横坐标即为时间常数τ.

用几何画板在示波器上作图时非常方便的.我们知道,过曲线上一点的切线方程,用点斜式作,斜率为f‘(0),过点（0,5）的直线方程就是我们所求的切线方程.做法如下：（1）对图一界面中的f(x)函数表达式点击右键,在快捷菜单中选择导数,得f’(x)函数表达式；（2）点击菜单：度量----计算---点击f’(x),取x等于0,求得斜率：f’(0)等于-2.5.再利用点斜式建立切线方程.即：点击菜单：图表----新建函数：输入：-2.5*X+5.最后点击菜单：图表---绘制函数,过点（0,5）的f(x)的切线方程绘制出来了.再选中切线与横轴的交点（设A点）,选择菜单---度量---横坐标,A点的横坐标值XA便计算出,即τ的值.

若双击图二中电路原理图的元件（如电压U0或电阻电容C）输入新的参数则对应的一阶网络的零输入响应的函数方程、切线方程、曲线图像及τ的值会做相应的改变,分析起来非常方便.

《几何画板》课件可以按照物理公式来设定动画,所以演示的结果比真实实验还要准确,因此教师无需以“误差影响”来修饰实验结果.

(三)一阶网络的零输入响应实验演示软件制作主要过程简介：

首先在几何画板软件窗口的左上方画出实验原理图,在几何画板窗口右方粘贴上述实验所需仪器设备示波器图片.建立含有上述原理图中参数R、C、U0等参数的一阶网络的零输入响应的输出曲线函数.建立过程如下：

新建参数R等于1000、C等于0.001、U0等于5（如图一右上方）,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）.然后选择参数表达式建立一阶网络的零输入响应的输出曲线函数.如图一（右）：

因绘出的曲线位置在示波器屏幕上,故：先将坐标原点移至示波器屏幕上适当位置.考虑U0、RC的变化范围后,适当调节坐标轴比例,再将示波器屏幕上的调节好的坐标轴的单位及刻度图片抓取（例如用SNAGIT等软件抓去图片）.再在粘贴到原位置,然后隐藏坐标轴.

函数中的f(x)代表一阶网络的零输入响应的输出电压,x代表时间,先绘出一阶网络的零输入响应函数图像,因为函数图像是在时间x>0时开始绘制.所以,在一阶网络的零输入响应函数图像上建立电压的最低测量点A和最高测量点B（U0）两个固定点,在其中间建一沿曲线运动的动点u见图二.

将U点移至B点,分别选中点U、A,点击编辑菜单-----操作类按钮-----移动,标签设为：“扫描”,建立移动点按钮.再选中点u,点击：显示菜单---追踪点,即可在示波器上绘出对应一阶网络的零输入响应函数图像.同样分别选中点U、B点编辑菜单-----操作类按钮-----移动,建立移动点按钮,速度为“高速”.然后建立上述两按钮的系列按钮标签为：“扫描”按钮,这个系列按钮执行后,U点的轨迹不仅可跟踪,执行后U点可回到B点.在建立一系列按钮,标签为：“清除扫描轨迹”.其属性设置为：系列动作―同时执行；此按钮可清除示波器上的轨迹.最后将A、B、U点及函数图像隐藏.一阶网络的零输入响应电路实验的模拟演示软件就编写完成.

通过此例,可以学会巧妙利用几何画板软件的一些功能,实现制作物理电学的模拟实验软件.实验中示波器上的显示屏扫描图像随电路参数的改变而实时改变.并且,实验原理图中的所有参数都可以方便地改变（如：C,R）,实时得出对应的电压、电流显示值、扫描曲线及数据分析结果.