【正文】 “仿真物理實驗室 —— 光學(xué)”模塊，為用戶提供各種光學(xué)器件，還為 用戶提供了一些常用的輔助器件。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD “物體”對象，是由兩個點光源組成的，在前面介紹理想凸透鏡和平面鏡對象時，我們已經(jīng)使用到了物體對象。 “點光源”對象，包括一個點和從這個點射出的三條光線。用戶可以使用成像系統(tǒng)，十分方便而直觀的研究蠟燭經(jīng)凸透鏡在屏幕上成實像的情況。 光導(dǎo)纖維 “ 光導(dǎo)纖維 ” 對象，用于模擬光線在光導(dǎo)纖維中的全反射。 下圖展示了反射系統(tǒng)的原理。有了這個反射系統(tǒng)，我們可以在地球上準(zhǔn)確的測量地球到月球的距離。下圖為物體在平面鏡中成像的光路圖。 下圖為用“仿真物理實驗室 —— 光學(xué)”模塊模擬的汽車大燈原理圖。 凸面鏡 、凹面鏡 凸面鏡和凹面鏡是生活中常用的光學(xué)器件，汽車的前大燈就采用的是凹面鏡的設(shè)計，燈泡發(fā)射的光線經(jīng)過凹面鏡的反射，平行的射向遠(yuǎn)方。 當(dāng)物體在凸透鏡的一倍焦距內(nèi)時，在凸透鏡的同側(cè)，可以 形成 正立、strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD放大的虛像。 ? 點擊工具欄上的“運行”按鈕，軟件即能繪制出光路。 ? 用鼠標(biāo)點擊器件箱中的“物體”對象，用同樣的方法把“物體”對象創(chuàng)建在實驗區(qū)中。在這個實驗中，我們需strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD要用到一個“理想凸透鏡”和一個“物體”對象。 下圖為理想凸透鏡對平行光線的匯聚作用。 理想凸透鏡 、理想凹透鏡 “仿真物理實驗室 —— 光學(xué)”模塊， 提供了理想化的凸透鏡和凹透鏡，它們的折射能力是被理想化的，例如：理想的凸透鏡可以把平行于主軸的光線準(zhǔn)確的匯聚到焦點上，而真實的單片凸透鏡只能把同樣的光線近似的匯聚到焦點上。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 真實凸透鏡 、真實凹透鏡 真實凸透鏡和真實凹透鏡 ，是一面平直、另一面為圓弧的玻璃磚。下圖為折射率分別為 和 的介質(zhì)對相同入射光線的折射效果。介質(zhì)可以是真實世界中的水、玻璃等透明的物質(zhì)。在前面的例子中，我們就用三棱鏡對“復(fù)合光源”射出的白光進(jìn)行了色散。白色光線實際上是有多種頻率的光線疊加后形成的。 平行光源對象，可以展現(xiàn)為一條光線，也可以展現(xiàn)為多條平行光線。“折射率倍”參數(shù)的默認(rèn)值為 1。 需要特別說明的是“折射率倍”參數(shù)。X1,Y1 是光源光線的起點坐標(biāo)， X2,Y2 是光源光線箭頭的坐標(biāo)。雙擊實驗區(qū)中的此對象；或用鼠標(biāo)右鍵點擊實驗區(qū)中的此對象，在彈出的菜單中，點擊“屬性”菜單項，即可彈出“光源屬性”對話框。 用鼠標(biāo)先點擊器件箱中的平行光源按鈕，然后在實驗區(qū)中，按下鼠標(biāo)左鍵并移 動鼠標(biāo)，最后松開鼠標(biāo)左鍵，平行光線對象就被創(chuàng)建在實驗區(qū)中了。 通過上面的實驗，我們學(xué)習(xí)了用“仿真物理實驗室 —— 光學(xué)”模塊進(jìn)行仿真實驗的基本方法，下面我們詳細(xì)介紹軟件中的各種光學(xué)器件和它們的通途。如下圖所示： strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD ? 在實驗區(qū)中，軟件不僅繪制出了光路，而且還繪制出了一些輔助線：延長線和法線。 ? 再點擊器件箱中的“三角介質(zhì)”對象 （三棱鏡）， 然后在實驗區(qū)中需要放置三棱鏡的地方按下鼠標(biāo)，并移動鼠標(biāo)，創(chuàng)建一個三棱鏡。 ? 點擊工具欄上的“新建”快捷按鈕，新建一個實驗項目。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 四． 操作指南 1. 第一個簡單的光學(xué)實驗 我們來做一個簡單的光學(xué)實驗，通過這個實驗，我們將學(xué)習(xí)“仿真物理實驗室 —— 光學(xué)”模塊的基本使用方法。 [關(guān)于仿真物理實驗室 ]： 顯示“仿真 物理實驗室”的相關(guān)信息。 [狀態(tài)欄 ]： 顯示 /隱藏“狀態(tài)欄”。 [視圖 ]—— [工具欄 ]： 顯示 /隱藏“工具欄”。 [運行 ]—— [運行 ]： 設(shè)置當(dāng)前的實驗區(qū)狀態(tài)為“運行”狀態(tài)。 [系統(tǒng)設(shè)置 ]： 彈出實驗區(qū)設(shè)置對話框。 [刪除 ]： 刪除當(dāng)前選中的對象。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD[復(fù)制 ]： 復(fù)制當(dāng)前實驗區(qū)中，選中的對象，到剪貼板。 [重做 ]： 切換實驗區(qū)中電學(xué)器件的顯示方式為實物圖或符號圖。 [退出 ]： 退出軟件。 [打印設(shè)置 ]： 設(shè)置 打印的相關(guān)信息。 [另存為 ]： 保存當(dāng)前的 光學(xué) 實驗到新文件名。 [打開 ]： 打開一個已經(jīng)存在的 光學(xué) 實驗項目。實驗區(qū)的下方是狀態(tài)欄。strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD實驗區(qū)的上面是工具欄，工具欄中有常用命令的快捷按鈕。 二． 軟件界面 “仿真物理實驗室 —— 光學(xué) ”模塊的主界面如下圖所示。“仿真物理實驗室 —— 光學(xué)” 模塊不但能夠進(jìn)行仿真，還可以為用戶演示整個物理過程的詳細(xì)情況。 用戶可以在任意組合的實驗環(huán)境中，搭建自己的實驗。這時，我們閉合電鍵，并移動滑動變阻器的滑片，我們就可以從曲線對象上直觀的看到小燈泡功率的變化情況。 然后點擊確定按鈕。 ? 創(chuàng)建一個“曲線對象”，并設(shè)置它的屬性。 下面我們還是在“明暗變化的燈泡”這個例子的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)“曲線對象”的使用。點擊工具欄上的“曲線對象”按鈕 ，然后在實驗區(qū)中 需要放置“曲線對象”的位置上點擊鼠標(biāo)，就能創(chuàng)建出曲線對象。 ? 閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片，我們看到注釋對象實時的顯示出了小燈泡的功率。在輸入變量時，可以通過對話框左下方的下拉框選擇變量。 ? 點擊工具欄上的“注釋”按鈕 ，在實驗區(qū)中需要放置注釋的地方點擊鼠標(biāo)，彈出“注釋設(shè)置”對話框。 前面我們做過明暗變化的燈泡實驗，現(xiàn)在我們就通過“注釋” 對象，動態(tài)的顯示燈泡的功率。在創(chuàng)建自定義變量時，請使用簡單的字母或字母組合，不要出現(xiàn)特殊符號，變量不能重名。從主菜單中點擊 [程序 ]—— [變量編輯器 ]菜單，可以彈出“變量編輯器”對話框。 例如，一個普通電阻，自帶的變量有：電阻 ，電阻，和電阻 ，分別表示電阻 1 兩端的電壓、 經(jīng)過電阻的 電流和電阻的功率 。軟件中的變量有兩種，分別是系統(tǒng)變量和自定義變量。這就是電磁繼電器的典型應(yīng)用。設(shè)置任意電壓源的電壓為 10 伏特；電磁繼電器的線圈電阻為 1 歐姆，吸合電流為 安培。按下圖所示，把這些器件擺放在實驗區(qū)中，并用導(dǎo)線連接電路。下面我們就來做這樣一個實驗，用電磁繼電器控制直流電動機(jī)的開啟與關(guān)閉。 電磁繼電器是控制電路中常用的電子元器件。用鼠標(biāo)右鍵點擊損壞的保險絲，在彈出菜單中點擊“修復(fù)”可以修復(fù)保險絲。從安培表的讀數(shù)可以看出，電路中的電流越來越大。 再 彈出保險絲的屬性對話框，設(shè)置保險絲的“最大電流”為 1 安培。 ? 修改器件的屬性 。 下面， 我們做一個保險絲的實驗 。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 其他類 在其他類中，電學(xué)模塊提供了，保險絲、二極管、電磁繼電器 、引出導(dǎo)線、水位開關(guān)、溫度開關(guān)。直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流為單方向的，而交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流為雙方向的。 ? 按下圖所示，連接電路。 ? 設(shè)置兩個電流計的屬性，把靈敏度設(shè)置為“ *”。 ? 在這個實驗中， 我們需要用到兩個電流計，直流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)各一只。 電磁感應(yīng)類 在電磁感應(yīng)類中， 電學(xué)模塊提供了 ，線圈與磁鐵模型、導(dǎo)線切割磁力線模型、直流電動機(jī)模型、直流發(fā)電機(jī)模型和交流發(fā)電機(jī)模型。 需要注意的是，我們在創(chuàng)建燈泡時選擇額定電壓為 伏的小燈泡。下面我們來做個明暗變化的燈泡實驗。對于信號燈對象，只有當(dāng)電流大于“起亮電流”時，信號燈才被點亮。 輸出類 在輸出類中， 電學(xué)模塊提供了，燈泡、信號燈和電鈴。樓道燈的電路，通常被使用在樓道中，一個開關(guān)在下面，另一個開關(guān)在上面。把“開關(guān) 1”撥到左邊，“開關(guān) 2”撥到右邊，燈泡就被點亮了。 ? 接下來，我們要學(xué)習(xí)單刀雙擲開關(guān)的使用，如下圖所示，用鼠標(biāo)左鍵雙擊區(qū)域 A，則開關(guān)被打開；雙擊區(qū)域 B，開關(guān)閉合左邊；雙擊區(qū)域 C，開關(guān)閉合右邊。設(shè)置任意電壓源的電壓為6 伏特，內(nèi)阻為 0，如果電壓源的電壓過低，電燈將 不會被點亮 。樓道燈電路是住宅中常用的一種電路結(jié)構(gòu)，它用兩個單刀雙擲開關(guān)控制著一盞燈。單刀單擲開關(guān)，在前面的例子中已經(jīng)介紹了它的使用方法。用鼠標(biāo)點中滑動變阻器上的滑片，左右移動鼠標(biāo)，可以改變電路 中的電阻，使安培表與伏特表的指針也隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。用鼠標(biāo)左鍵雙擊實驗區(qū)中的單刀單擲開關(guān)，可以閉合或打開開關(guān)。 連接時注意安培表與伏特表的量程選擇。在第一個簡單的電學(xué)實驗中，我們已經(jīng)學(xué)會了如何連接導(dǎo)線。 選中“顯示參數(shù)”選項，可 以在實驗區(qū)中器件的上邊顯示該器件的參數(shù)。如下圖所示。在對話框中，可以對器件的物理屬性進(jìn)行設(shè)置。如下圖所示。 我們從器件箱中創(chuàng)建出這些器件，把它們放在實驗區(qū)中。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 下面，我們來做一個用伏安法測量電阻阻值的例子，在這個例子中，我們將用到前面介紹的一些電子器件。 儀表類 在儀表類中，電學(xué)模塊提供了，指針式安培表、指針式伏特表、電流計、微安表、 數(shù)字式安培表、數(shù)字式伏特表、數(shù)字式歐姆表、和萬用表。 這些器件在電路中都是作為電壓源的。下面將分別介紹這些電子器件，并接合例子學(xué)習(xí)他們的使用方法。選中折彎的導(dǎo)線，點擊工具欄上的導(dǎo)線樣式按鈕 ，可以 使折彎的導(dǎo)線以曲線方式顯示。在連接導(dǎo)線的過程中，如果在實驗區(qū)空白處點擊鼠標(biāo)，導(dǎo)線會在該點發(fā)生折彎 ，折彎后可以繼續(xù)連接另一個端點。 ? 請注意器件邊緣的黃色小圓圈，這是 器件的接線柱，連接導(dǎo)線的端strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD點。在這個實驗中，我們選擇正極在右邊的那只數(shù)字式伏特表。數(shù)字式的伏特表在器件箱的儀表類中。 ? 用鼠標(biāo)點擊器件箱中“電源”類中的“ 5 號 AA”電池按鈕，然后在實驗區(qū)需要放置該電池的位置點擊鼠標(biāo)，這樣就可以把一節(jié)“ 5 號AA”電池創(chuàng)建在實驗區(qū)中了。在這個實驗中，我們將使用一個 數(shù)字式伏特表測量“ 5 號 AA”電池兩端的電壓。 ： 點擊此按鈕，打開軟件的幫助。點擊此按鈕，然后在實驗區(qū)中框選一個區(qū)域，軟件會彈出“黑盒子設(shè)置”對話框，我們需要給黑盒子設(shè)置一個密碼，然后點擊確定按鈕。在一些課堂場景中，老師先用黑盒子把部分電路遮擋strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD起來，讓學(xué)生通過對電路外部接口的測量，分析出被遮擋部分的電路。 目前支持 bmp 和 jpg 位圖格式。 ： 創(chuàng)建圖片對象。 ： 創(chuàng)建曲線對象。 ： 創(chuàng)建注釋。 ： 實驗區(qū)中的導(dǎo)線，可以顯示 為折線 ，也可以顯示為弧線。 ： 顯示 /隱藏導(dǎo)線中的電流方向。 例如：燈泡和保險絲在電流過大時會被燒毀。只有部分器件支持旋轉(zhuǎn)功能。 軟件的工具欄及快捷按鈕 功能 如下： 工具欄上的快捷按鈕，對應(yīng)同名的菜單項功能。 [幫助 ]—— [幫助 ]： 打開軟件的幫助。 [器件箱 ]： 顯示 /隱藏“器件箱”。 [程序編輯器 ]： 彈出“程序編輯器”對話框，用戶可以在此對話框中，編寫簡單格式的腳本語言以實現(xiàn)較為復(fù)雜的實驗控制。此菜單項的功能類似strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD于器件箱。 [修復(fù) ]： 在實驗區(qū) 中，用鼠標(biāo)選擇被損壞的器件，再點擊“修復(fù)”菜單可以修復(fù)損壞的器件。 [刪除 ]： 刪除當(dāng)前選中的對象。 [剪切 ]： 復(fù)制當(dāng)前實驗區(qū)中選中的對象到剪貼板，并在實驗區(qū)中刪除此對象。 [實物圖 /電學(xué)符號 ]： 切換實驗區(qū)中電學(xué)器件的顯示方式為實物圖或符號圖。 [退出 ]： 退出 軟件。 [打印設(shè)置 ]： 設(shè)置打印的相關(guān)信息。 [另存為 ]： 保存當(dāng)前的 電學(xué) 實驗到新文件名。 [打開 ]： 打開一個已經(jīng)存在的 電學(xué) 實驗項目。實驗區(qū)的下方是狀 態(tài)欄。實驗區(qū)的上面是工具欄，工具欄中有常用命令的快捷按鈕。 二． 軟件界面 “仿真物理實驗室 —— 電學(xué) ” 模塊 的主界面如下圖所示。 在真實的電學(xué)實驗中，存在安全性風(fēng)險，并可能造成電學(xué)器件的損毀。例如連接串聯(lián)與并聯(lián)電路、用伏安法測量電阻、測量路端電壓、用惠斯通電橋精確測量電阻、用電磁繼電器實現(xiàn) 對電路的簡單控制等。 五． 軟件在教學(xué)中的應(yīng)用 1. 在牛頓 三定律教學(xué)中 的應(yīng)用 2. 在萬有引力 教學(xué) 中的應(yīng)用 3. 在機(jī)械能教學(xué)中的應(yīng)用 4. 在動量教學(xué)中的應(yīng)用 5. 在機(jī)械振動教學(xué)中的應(yīng)用 6. 在電場與磁場教學(xué)中的應(yīng)用 strengh ofpibly,HPI(013N5)