|
論CAI中電場變化的模擬描述
重慶市忠縣職業(yè)教育中心姚富華 2015/12/12 19:09:06
隨著計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）的日益廣泛應(yīng)用，使傳統(tǒng)的教學(xué)模式發(fā)生了巨大變化，同時(shí)也使知識的傳授方法更趨多樣化。在物理教學(xué)中,將CAI應(yīng)用于電磁學(xué)、分子運(yùn)動學(xué)等抽象知識的教學(xué)時(shí)，可以通過CAI課件的模擬演示，將微觀抽象的東西生動、形象地展現(xiàn)出來，從而變無形于有形，使學(xué)生較為容易理解知識，進(jìn)而突破難點(diǎn)。有關(guān)電磁學(xué)的教學(xué)，經(jīng)常涉及到電場的變化，那么，在CAI中怎樣模擬描述電場的變化呢？下面淺談筆者之見：
一、電場的形象化描述
為了形象的描述電場，人們引入了電場線。用電場線描述電場時(shí)，電場的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線疏處電場強(qiáng)度小。在講解電場線時(shí)，我們應(yīng)向?qū)W生澄清以下問題：
1.電場線是為了使電場形象化而假想的線，它是描述電場的重要輔助手段，并非真實(shí)存在的線。
2.任何兩條電場線之間的地方也存在電場，也有電場線。電荷周圍任何一點(diǎn)都有電場，都可以畫出電場線來，但我們通常只畫幾根能反映其基本特點(diǎn)的電場線就行了。
3.不同的電場，場強(qiáng)的分布不同，它們的電場線的形狀也不同。
4.用電場線表示某一電場時(shí)，電場線的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線的疏處電場強(qiáng)度小。這是對同一電場而言的，它表示同一電場中電場強(qiáng)度在空間（不同位置）的分布特點(diǎn)，可以從電場線的疏密變化中反映出來。由于畫電場線只畫幾根代表線，因而，對于不同的電場，通常不以電場線的疏密來比較和判斷它們的場強(qiáng)大小。
二、CAI中，電場變化的模擬描述方法
當(dāng)電場（隨時(shí)間）發(fā)生變化時(shí)，怎樣描述其電場強(qiáng)度隨時(shí)間的變化呢？常見的方法有兩種：
1.通過電場線的增減（密度改變）來模擬描述電場隨時(shí)間的變化。
2.通過電場線的粗細(xì)改變來模擬描述電場隨時(shí)間的變化。
三、論用電場線的增減模擬描述電場的變化㈠成因:
用電場線的增減（密度改變）來模擬描述電場隨時(shí)間的變化，是基于“電場線表示某一電場時(shí)，電場線的疏密可以表示電場強(qiáng)度的大小，即電場線密處電場強(qiáng)度大，電場線的疏處電場強(qiáng)度小，”這一方法為基礎(chǔ)，從而形成了在CAI中用增加電場線（密度增大）來表示電場強(qiáng)度增大，用減少電場線（密度減�。﹣肀硎倦妶鰪�(qiáng)度減小。也就是：既用電場線的疏密來描述電場在空間（不同位置）的強(qiáng)弱分布，也用電場線的疏密改變來描述電場（隨時(shí)間）的強(qiáng)弱變化。
㈡兩種具體的實(shí)現(xiàn)方式及其比較：
1.用電場線的密度倍增和倍減分別表示電場強(qiáng)度的增大與減小。例如:模擬一勻強(qiáng)電場的逐漸減弱（見圖1），甲圖中減少標(biāo)有“4”的電場線后，密度減小一倍變?yōu)橐覉D，乙圖中減少標(biāo)有“3”的電場線后，密度減小一倍變?yōu)楸麍D.....通過計(jì)算機(jī)依次將乙圖替代甲圖，丙圖替代乙圖,
丁圖替代丙圖......從而就出現(xiàn)電場線逐漸減少的視覺效果。反之，依次用電場線多的替代電場線少的，則出現(xiàn)電場線逐漸增多的視覺效果。
采用這種方式的好處是：替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的（或原有的）電場線能完全重合，因此不消除的（或原有的）電場線將出現(xiàn)靜止不動的視覺效果，與增減（動）的電場線形成鮮明的對比，從而產(chǎn)生生動的增減效果。
采用這種方式的不足之處是：電場線的根數(shù)變化較大（基本上是倍增或倍減），往往會形成“突變”的感覺。而描述電場隨時(shí)間的變化通常是要讓學(xué)生觀察電場“漸變”的過程和引起這一變化的相關(guān)因素。
2.用電場線的密度逐漸增大和減小分別表示電場強(qiáng)度的增大與減小,即讓電場線每次增減的根數(shù)少一些，從而避免產(chǎn)生“突變”的視覺效果,以克服第一種方式的不足。
但用這種方式卻又產(chǎn)生一個(gè)新的不足之處：由于電場線的密度（電場線間的距離）不是倍增或倍減，因而替代圖中的電場線與被替代圖中不消除的（或原有的）電場線不能實(shí)現(xiàn)重合。見圖2，乙中的電場線不能與甲中任何一組電場線重合，丙中的電場線也不能與乙中任何一組電場線重合......因此在演示過程中，出現(xiàn)明顯的晃動感,形成“原有電場線消失后，新的電場線產(chǎn)生”（替換）的視覺效果，而增減的視覺效果則不理想。
甲乙丙丁
圖2
㈢用電場線的增減模擬描述電場的變化之不足:
用電場線的增減模擬描述電場的變化，兩種具體的實(shí)現(xiàn)方式有以下共同的不足之處：
1.在模擬描述電場逐漸減弱時(shí)，為了保證有一個(gè)“較長”的變化過程讓學(xué)生觀察，則開始的電場線根數(shù)要很多，（模擬描述電場逐漸增強(qiáng)時(shí)，則最后的電場線根數(shù)要很多。）而太多的電場線又有礙于學(xué)生觀察引起電場變化的相關(guān)因素。例如:在靜電感應(yīng)現(xiàn)象的模擬中，電場變化的相關(guān)因素是感應(yīng)電荷的定向移動，（未完，下一頁）
|