黃愛鳳

(江蘇省前黃高級中學(xué)，江蘇 常州 213161)

·現(xiàn)代教育技術(shù)·

物理仿真軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用探討
——以“變壓器”教學(xué)為例

黃愛鳳

(江蘇省前黃高級中學(xué)，江蘇 常州 213161)

本文以Comsol Mutiphysics軟件在“變壓器”教學(xué)中的應(yīng)用為例，探討物理仿真軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的可行性，供廣大一線教師參考.

仿真軟件；物理教學(xué)；電磁感應(yīng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)逐漸被大家所重視，物理教學(xué)對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才有著至關(guān)重要的作用.由于各種因素的限制，有些物理原理及其應(yīng)用等不能從課堂實驗的現(xiàn)象或結(jié)果中呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生對于物理原理理解上出現(xiàn)偏差.隨著計算機技術(shù)的不斷更新發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)作為軟件技術(shù)與物理教學(xué)整合的途徑之一，為物理教學(xué)改革提供了一條思路.近年來幾何畫板、Matlab等軟件逐漸受到廣大物理教師的認可，而調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以物理方程為內(nèi)核，解決多重物理耦合的軟件Comsol Mutiphysics還未得到一線物理教師的廣泛認知.本文以Comsol Multiphysics中變壓器模型為例，介紹物理仿真軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用的可行性.

1 “變壓器”教學(xué)探討

圖1

2 在Comsol Mutiphysics中變壓器的建模與設(shè)置

2.1 模型建立

Comsol Mutiphysics的基本建模流程為：確定物理模塊→建立幾何模型→設(shè)定計算條件→物理模型設(shè)定→結(jié)果設(shè)定.在確定物理模塊環(huán)節(jié)中，至少需選擇軟件中已經(jīng)設(shè)定好的力、熱、電、磁、光等模塊中的一個，亦可根據(jù)實際問題需要多選.如變壓器模型，可選擇電學(xué)模塊中的AC/DC模塊，也需要選擇磁場模塊.考慮到渦流及發(fā)熱情況的話，仍需選擇電場模塊及熱分布模塊，且物理量是隨時間變化的，需要選擇在隨時變化環(huán)境下進行建模.由于篇幅限制，本文只選擇了磁場、電路這兩個模塊下的時間求解環(huán)節(jié)，其他的未做考慮.

幾何模型是建立實際求解問題的計算空間、初始條件設(shè)置的載體及結(jié)果展現(xiàn)的設(shè)定，根據(jù)需要，建立從實際問題上抽象出來的幾何模型.以變壓器為例，可建立作為磁場分布區(qū)域的鐵芯為三維的矩形結(jié)構(gòu)；建立初、次級線圈作為電流分布載體的圓柱形分布結(jié)構(gòu)；為了簡化問題，本文將初、次級線圈以同心圓柱體模型作為電流分布結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體模型及線圈和鐵芯建模后的結(jié)構(gòu)分別如圖2(a)、(b)、(c)所示.

圖2

在完成幾何模型結(jié)構(gòu)后，需要將基本的初始條件進行設(shè)置，如圖1中的線圈匝數(shù)Ns、Np，外電源電動勢最大值Uac、頻率f、電阻Rp、Rs.

這樣的偏微分方程及邊界條件是該軟件的核心內(nèi)容，同樣也是軟件使用初期較難上手的一個主要問題，因此軟件當中自帶了較多的應(yīng)用范例及物理學(xué)偏微分方程說明文檔，方便使用者的自學(xué)與練習(xí).

結(jié)果設(shè)定部分則是計算結(jié)果的輸出及展示，也就是期望看到哪些結(jié)果，呈現(xiàn)方式是什么.以變壓器為例，我們希望能得到鐵芯當中的磁場分布，初、次級線圈中電壓、電流隨時間的變化關(guān)系等.

2.2 計算結(jié)果與討論

為了能讓學(xué)生獲得準確、清晰、生動的知識展示以達到更好的教學(xué)效果，三維圖形或者三維視頻作為教學(xué)中的素材應(yīng)該是當前技術(shù)下的首選，特別是在電磁場部分的教學(xué)當中，電場或者磁場的分布在其大小及方向隨時間變化的情況下，非常難以用語言進行闡述，給學(xué)生以生動的三維圖像展示能在教學(xué)中事半功倍.如圖3所示為變壓器鐵芯中磁場分布及線圈當中電流走向的三維結(jié)果，用不同顏色標示了鐵芯中各個部位磁感應(yīng)強度的大小，顏色偏紅表示磁感應(yīng)強度較大，偏藍則較小，從中可以看出磁場整體在鐵芯中的環(huán)形分布.在拐角處鐵芯中的磁感線受到擠壓而在局部變大，從細節(jié)處印證了軟件計算結(jié)果的正確性.圖3中圍繞線圈的黑、藍色箭頭分別代表了t=0.05s時刻初、次級線圈中的電流方向，這也可以從楞次定律中得到驗證.在三維模型中可以自由旋轉(zhuǎn)進行展示計算結(jié)果的各個細節(jié)，也可以選擇特定的點、線、面讀取對應(yīng)的磁場的大小及分布，如圖4所示為圖3中立體模型的中截面，各點上的磁感應(yīng)強度分布用黑色箭頭表示.

圖3

圖4

由于在模型設(shè)置時選擇了隨時求解的模塊，軟件仿真結(jié)果能以視頻流的形式，展現(xiàn)不同時刻磁場的分布變化、電流的大小及方向的隨時間變化等等，這是“變壓器”教學(xué)中極為形象生動的教學(xué)素材.

3 結(jié)語

本文以“變壓器”教學(xué)為例，簡述教學(xué)過程中遇到的問題，提出可通過現(xiàn)有的物理仿真軟件進行教學(xué)素材的制作，并適當應(yīng)用到教學(xué)過程中去.Comsol Multiphysics作為一個物理學(xué)耦合軟件，包含了各類物理學(xué)問題的模型仿真，上手具有一定的難度，但所包含的一些應(yīng)用范例可作為物理教學(xué)的案例，供基礎(chǔ)扎實的一線物理教師參考.

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