王瑞雪

（廣漢市金雁中學 四川·德陽 618300）

0 前言

在中學物理的教學過程中，物理實驗教學有著舉足輕重的作用。但傳統(tǒng)的演示實驗教學問題頗多，如實驗儀器較為陳舊，實驗現(xiàn)象不清晰難以觀察，實驗數(shù)據(jù)分析困難以及教學課時緊張等。為了解決這諸多問題，部分教師會采用減少課堂實驗演示時間的方式來應對此等情況，而這就使得原本就十分有限的課堂實驗實踐環(huán)節(jié)變得更加稀少，學生實驗能力也沒有得到充分培養(yǎng)，而這也直接導致學生普遍反應物理課堂較為抽象并難以理解。因此探索研究更加高效的課堂演示實驗方法才能有效解決諸多問題。因此仿真實驗應運而生，通過設計虛擬儀器，建立虛擬實驗環(huán)境即是仿真實驗。利用仿真實驗平臺進行物理實驗教學，可使得教學形象逼真，解決上述傳統(tǒng)實驗中實驗現(xiàn)象不清晰等諸多問題。學生可以通過仿真實驗平臺擬定實驗參數(shù)、操作仿真實驗儀器，從而達到學生能夠通過該平臺模擬真實的實驗過程，進行整個實驗過程。在仿真實驗平臺當中學生能夠選擇和組合平臺所提供的相關實驗設備，甚至可以自主利用平臺進行實驗的設計。在仿真實驗平臺中也能夠反應教學思想，學生的實驗操作必須建立在其理解和思考的基礎上才能進行，有效杜絕了部分學生可能在實驗中出現(xiàn)的盲目操作等現(xiàn)象，提高了物理實驗教學的質量。本文基于仿真實驗平臺研究單擺測重力加速度這一高中物理力學實驗，從而分析利用仿真實驗平臺進行物理實驗教學的可行性和高效性。

1 單擺測重力加速度基本原理

單擺即用一條可以忽略微小形變和質量的細線一端拴一個小球，另一端固定在懸點上，且保證線長又比球的直徑大得多的裝置。單擺周期T即從平衡位置出發(fā)再次回到平衡位置且運動狀態(tài)相同所花時間。單擺做簡諧運動的振動周期跟擺長的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，與振幅和擺球的質量無關。單擺的周期公式為：

根據(jù)公式測出相關物理量即可測得重力加速度。

2 基于仿真實驗平臺利用單擺測重力加速度

利用仿真實驗平臺進行單擺測重力加速度實驗在：

2.1 實驗裝置

本文用到的實驗裝置主要是仿真實驗平臺，其中仿真實驗器材主要有帶有量角器的單擺儀，米尺，螺旋測微器，電子秒表等。實驗裝置如下圖1所示：

圖1：單擺仿真實驗平臺

2.2 實驗內(nèi)容

2.2.1 實驗準備

根據(jù)實驗原理選擇相應的實驗器材，將需要用到的儀器從儀器欄中拖到桌面上來。利用鼠標雙擊使用的實驗儀器進行調(diào)節(jié)。

2.2.2 測量記錄實驗所需物理量

調(diào)節(jié)擺線長度，雙擊米尺打開米尺測量窗口，雙擊單擺打開單擺窗口。按住單擺窗口中擺線末端的旋鈕調(diào)節(jié)擺線長度，在米尺窗口中讀出擺線長度。如下圖2所示。

圖2 測量擺線長度

圖3 測量擺球直徑

圖4 記錄擺動周期

測量擺球直徑，雙擊打開螺旋測微器窗口，點擊開始測量按鈕，將小球拖入進行測量。根據(jù)所示數(shù)據(jù)進行讀值，多次測量把數(shù)據(jù)記錄到如下表1中。

測量擺動周期，打開單擺窗口以及電子秒表窗口。拖動小球使其偏離平衡位置一定角度，釋放擺球使其做簡諧運動，并且擺球每通過平衡位置一次就進行計數(shù)，同時使用秒表測量時間，如下圖4所示。然后將數(shù)據(jù)填入到實驗數(shù)據(jù)表格1中。

表1：測量單擺周期實驗數(shù)據(jù)

2.2.3 處理數(shù)據(jù)得出實驗結論

分析表格中的數(shù)據(jù)，計算出擺球直徑的平均值，然后利用擺球通過平衡位置的次數(shù)測量出擺動周期數(shù)N，再結合測量時間NT，計算得到周期T，代入單擺周期公式，計算出重力加速度 g的大小為9.464 m/s2。通過查閱資料得知計算實驗值與理論值基本吻合。

2.2.4 誤差分析

在利用單擺測重力加速度該實驗的學習過程中，要求學生理解體會在該實驗過程中累積放大法的原理和應用，在教學過程中引導學生分析基本誤差的來源，并且能夠進行了解修正或者估算的相關辦法。由于在實驗過程中人的反應時間也會造成一定的實驗誤差，這里以該誤差為例，平臺提供給學生相關數(shù)據(jù)，如當學生假定擺長為L=70cm，小球直徑d=2cm，擺動周期T則為1.700s，再結合千分尺精度0.001cm，秒表精度0.01s，米尺精度0.05cm，以及根據(jù)統(tǒng)計分析得到的實驗人員開始或者暫停秒表反應時間約為0.1s左右，學生可以通過這些數(shù)據(jù)計算出相關誤差，從而使得實驗更加精確。

3 測試利用仿真實驗平臺進行單擺測重力加速度實驗有效性

將學生若干分成實驗組和對照組，實驗組即利用仿真實驗平臺對單擺測重力加速度進行實驗，對照組即沒有利用仿真實驗平臺按照傳統(tǒng)方式進行單擺測重力加速度實驗。在課堂開始之前，設置與單擺測重力加速度實驗相關的測試題目，進而可以了解學生在還未學習之前對該實驗的了解情況。結果出來以后，將正確率進行統(tǒng)并對結果進行分析，該做法可以給該次測試控制不必要的干擾。

隨后進行相同時長的課堂教學，在課堂結束后，對實驗組和對照組學生立即進行相同題目的測試，在實驗組和對照組完成測試題目后，統(tǒng)計二者題目正確率，并對測試結果進行分析：分析兩者的正確率，然后對小組對實驗組和對照組學生進行交流，了解學生對當堂課的掌握程度和課堂體驗。時隔兩個星期后，再對學生進行隨堂測試，設置題目同樣與單擺測重力加速度實驗相關，統(tǒng)計延遲測試題目的正確率，并對實驗組和對照組延遲測試結果進行分析。最終，通過測試結果分析得到實驗班正確率與對照班正確率相當，實驗組在延遲測試中正確率為83.4%，對照組在延遲測試中正確率為84.4%，說明大部分實驗班的學生在記憶消退后依然能夠正確解答單擺測重力加速度實驗相關的測試題目，說明無論是實驗組還是對照組學生對知識都有一定程度上的消化和理解。結果分析可得利用仿真實驗平臺進行單擺測重力加速度實驗具有有效性。

4 結論與展望

本文結合高中物理力學知識，基于仿真實驗平臺對單擺測重力加速度進行研究。初步說明其能夠被有效應用到物理實驗教學當中，使得抽象的物理過程形象化，微小微觀的現(xiàn)象直觀精確化，激發(fā)學生學習物理的積極性，同時也解決了物理實驗教學過程中器材有限，實驗現(xiàn)象不清晰，數(shù)據(jù)分析困難等諸多現(xiàn)實問題。我們也可以在課后讓學生自發(fā)利用仿真實驗平臺進行一些探究性實驗，從而改變學生上物理課才有物理實驗的想法，學生自己利用仿真實驗平臺完成單擺測量重力加速度等諸多實驗，從而使仿真實驗平臺成為學生的得力實驗工具，同時也培養(yǎng)了學生探索精神。

盡管如此，仿真實驗也不能完全替代傳統(tǒng)的實驗教學，在利用仿真實驗平臺進行物理實驗教學中仍然存在諸多問題：比如如何有效地將實驗原理教學和仿真實驗器材結合起來，如何讓學生在利用仿真實驗平臺完成實驗的同時，也能明白其中原理，而不是單純地按照要求重復實驗。因此我們期盼也相信在今后，將仿真實驗平臺應用于物理實驗及教學研究的案例將會越來越多，并且取得更進一步的發(fā)展。