AML软件在高中物理热学教学中的应用

2019-12-20 09:12:20 中学物理·高中 2019年11期

陈瑞 颜国英 董瑞彩 郑原琛 张雄

摘?要:本文介绍了Atomsmith molecule Lab(AML)软件在高中物理热学教学中的应用,利用AML软件做模拟仿真实验,获取实验数据并验证理想气体状态方程.实践表明,在贫困地区中学物理教学中通过微观可视化的仿真实验,能促进课堂教学有效性的提高,加深学生对热学本质的理解,凸显了微观层面上仿真实验的优点.

关键词:教学软件;状态参量;理想气体;仿真实验

文章编号:1008-4134(2019)21-0036?中图分类号:G633.7?文献标识码:B

作者简介:陈瑞(1995-),女,云南曲靖人,硕士研究生,研究方向:物理学科教学.

通讯作者:张雄(1956-),男,云南昆明人,博士,教授,博士生导师,研究方向:物理学科教学、天体物理.

《普通高中物理课程标准(2017版)》提出“关注信息化环境教学改革,通过多样化教学方式,利用现代信息技术,引导学生理解物理学的本质,整体认识自然界,形成科学思维习惯[1]”.

Gary D(2017年)利用Atoms in motion LLC公司开发的Atoms in motion软件进行了气体分子动理论、验证理想气体实验定律以及绝对零度的仿真实验研究[2].在物理教学中做模拟仿真实验时,只要设置参数就可验证理想气体状态方程,操作过程便捷.其对高中物理(选修3-3)气体一章教学有一定的帮助.Carter S P(2017年)等[3],报导了他们利用仿真软件做模拟实验教学,以此突破教学难点,引导学生完成理想实验.Patterson R W(2017年)等也报导了他们教育教学活动中的仿真实验[4].在中学物理教学中,模拟仿真实验已经成为了国内外同行的研究热点,特别是在课堂上用仿真实验完成传统演示实验无法做到的实验(如微观分子原子运动、核爆炸等)[5].为了能直接看到分子和原子的运动情况,实现可控性和定量分析的效果,更方便形象地研究理想气体的实验定律,笔者利用AML软件,应用在高中物理热学教学实践中较好地解决了文献[2]、[3]中的局限性和不足(如二维平面失真问题,仿真数据处理和相关图象表述问题).

1?AML软件简介

AML软件是Bitwixt Systems LLC公司推出的一款独特的3D iPad仿真软件,它通过分子动力学(Molecular Dynamics,简称MD)来模拟数百个或成千上万粒子的相互作用[6].MD按照该体系内部的内禀动力学规律来确定位移的变化,追踪系统中每个粒子的个体运动,然后根据统计物理规律给出微观量与宏观量的定性关系[7].AML软件的基本功能包括图书馆、仿真实验室、数据处理模块等.仿真实验室能够在模拟体积中添加不同的粒子,通过在理想或非理想气体状态下,改变不同的状态参量,定量观察体积、温度、压强、壁面碰撞计数器、粒子速度、作用力、动能等的变化情况,实现高精度的高中物理热学仿真实验(如图1).

2?AML软件在高中物理热学教学中的应用

有效教学是教师遵循教学活动的客观规律,以尽可能少的时间、精力和物力投入,取得尽可能多的教学效果,从而实现特定的教学目标,满足社会和个人的教育价值需求[8].借助AML软件突破高中物理热学概念、规律和教学难点,有利于物理课堂教学有效性的提高.

2.1?用AML软件建构气体温度概念的过程

传统气体实验下无法直接呈现微观状态,学生很难建立起气体温度的微观意义.利用仿真实验搭建“微观桥梁”,打开AML软件,点击“仿真实验室”.初始设置:模拟体积尺寸26Aο(1Αο=10-10m),在其中添加5个He核和5个甲烷分子,使用调温器将初始温度调为300K,选择模拟类型为理想气体并点击标签选择粒子速度(m/s),运行模拟功能.

可以观察到:首先粒子总是在一条直线上运动,甲烷分子在旋转;其次只有当粒子与其他粒子(或器壁)发生弹性碰撞时,粒子的运动方向才会发生改变;最后使用调温器来提高和降低温度,发现当温度增加时,粒子速度也在增加.

通过微观可视化的方法建构气体温度概念的过程,学生可以直观地体会到“温度越高,分子的热运动越剧烈”,从而建立分子热运动与气体温度之间的联系.

2.2?用AML软件为气体压强概念形成搭建“引路”

气体压强是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力.从微观角度看,温度越高,分子撞击器壁的平均速度就越大,气体分子越密集,单位时间作用在器壁单位面积上的分子数就越多,气体的压强就越大[9].在初中阶段学生已经掌握了压强的宏观定义,借助AML软件进一步让学生领悟到新旧知识之间的联系,找到它们的共同点,更好地理解各物理量之间的关联.

重复上述初始设置,为避免粒子间碰撞的影响,只在模拟体积中添加5个He核,运行模拟功能.调温器提高或降低温度,做如下观察:当温度T增加时,体积V如何变化,压强P如何变化,壁面碰撞计数器如何变化.可以观察到:温度增加时,粒子运动速度、压强都在增加,且壁面碰撞计数器变化得更快.因此,通过仿真实验看到微观下粒子壁面碰撞与压强有关系,新旧知识由此实现有意义的顺应迁移,为气体压强概念搭建“引路”.

通过这一仿真模拟,学生在头脑中很容易认识压强从微观过渡到宏观的模式,并能很快地分析得出压强的变化是如何依赖于温度(影响分子速度)、体积(影响壁间距离)、分子数目(影响碰壁次数)这三个物理量.引导学生得出粒子与器壁碰撞时,粒子对器壁会施加一个作用力的结论.为了作用力可视化,将标签类型更改为作用力,学生就能观察到当粒子与器壁发生弹性碰撞时,作用力数值不为零(如图2).通过模拟实验,学生直观地观察到压强是物体单位面积所受的压力,分子与器壁多次碰撞的作用力也就是器壁受到的压力,那么分配到单位面积上的压力就是气体压強.

2.3?用AML軟件做理想气体仿真实验

当学生对温度、压强概念有直观的视觉体验后就可用AML软件进行验证玻意耳、查理定律的仿真实验.

玻意耳定律:一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,压强P与体积V成反比,即P∝1V.公式为

其中, P1、V1和P2、V2分别表示气体在1、2两个不同状态下的压强和体积[6].

在AML软件中可实现直接获取数据、绘制图象从而达到验证玻意耳定律的目的.初始设置:模拟体积尺寸26Αο,在其中添加5个He核和5个cl分子,使用调温器将初始温度调为300K,选择其模拟类型为理想气体.

运行模拟功能,此时初始体积为17580Α3ο=26Αο×26Αο×26Αο.点击“打开气体定律图表”,在右下角的图表类型中选择“P VS V”,点击“描点”.图象中出现的白点代表当前状态下的体积V和压强P,通过调节体积V的大小改变压强P的大小,每调节一次就描一次点.

该模拟实验显示体积V改变时,温度T总是为300K(等温过程).把图3甲中的白点用平滑的曲线相连,可验证在温度不变的情况下,压强P与体积V成反比.

查理定律:一定质量的某种气体,在体积不变的情况下,压强P与温度T成正比,即P∝T,公式为

其中P1、T1和P2、T2分别表示气体在1、2两个不同状态下的压强和温度[6].

重复完成初始设置,运行模拟功能,此时初始温度为300K.在右下角的图表类型中选择“P VS T”,点击“描点”.图象中出现的白点代表当前状态下的温度T和压强P,调节温度T的大小改变压强P的大小,每调节一次就可以描一次点.

该模拟实验显示温度T改变时,体积V总是为17580Α3ο(等容过程).把图4甲中的白点用平滑的曲线相连,可验证在体积不变的情况下,压强P与温度T成正比.把图4乙坐标原点表示为“气体压强P为零时其温度T为零”.可以证明,当压强不是太大、温度不是太低时,坐标原点的温度就是绝对零度.

在中学物理教学中不仅要教给学生基本概念和规律,更重要的是要教给学生学习物理学的研究方法[10].在实验过程中,教师要引导学生利用控制变量法探究物理问题,培养学生科学探究能力,使学生学会有效地解决物理问题.

3?结束语

利用计算机多媒体教学,可以节省大量板书时间.使用多媒体教学可以节省课堂教学时间,加大教学信息量,提高课堂教学效率[11].AML软件在热学教学中表现出了明显的优点,它是基于现有的教学规律和原理开发设计,把生活中的物理现象理想化和模型化.在教学实践中将仿真实验与真实实验有效地整合,取长补短,能很好地满足实验教学的要求.特别是在边疆少数民族地区和贫困地区,由于演示实验教具的缺失,应用仿真实验对突破教学难点和重点,拓展学生视野有重要作用.

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京:人民教育出版社, 2017:1-3.

[2]Gary D. Discovering the gas laws and understanding the kinetic theory of gases with an iPad app[J].Physics Education, 2017(52):1-6.

[3]Carter S P, Greenberg K. The impact of computer usage on academic performance:Evidence from a randomized trial at the United States Military Academy[J]. Economics of Education Review, 2017(56):118-132.

[4]Patterson R W, Patterson R M. Computers and productivity: Evidence from laptop use in the college classroom[J]. Economics of Education Review, 2017,(57):66-79.

[5]Finkelstein N D, Adams W K. When learning about the real world is better done virtually: A study of substituting computer simulations for laboratory equipment[J]. Physical Review Special Topics-Physics Education Research, 2005(1):1-8.

[6]https://www.bitwixt.com/jsite/ipad-apps/atomsmith-molecule-lab-middle-school.

[7]李丽荣.概述经典分子动力学模拟计算[J].热处理技术与装备, 2012, 33(1):53-53.

[8]邢红军.高中物理高端备课[M].北京:中国科学技术出版社, 2014:59.

[9]罗春焱.利用“气体压强的微观解释”分析物理问题[J].物理教师, 2012, 33(2):66.

[10]乔际平, 邢红军.物理教育心理学[M].南宁:广西教育出版社, 2002:96-97.

[11]邓永强.以中学物理教学为例论探究性教学模式的应用[J].中学物理, 2015, 33(7):80-81.

(收稿日期:2019-07-05)

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