利用数值法改进大学物理课中的演示实验

雷前召

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

物理学是一门实验科学［1］，其教学的各部分内容均程度不同地和实验相关．由于教学资源的限制［2］，学生亲自操作的分组实验和理论教学很难做到同步进行;而教师的课堂演示实验往往因为实验设备不完善、仪器不精密导致实验现象不明显;或者因为实验繁琐，耽误时间影响教学进度．而采用数值计算方法［3］对实验进行模拟则可以克服这些缺陷，随着多媒体教学的普及，利用数值法模拟演示实验不仅是必要的，更是方便易行的．

1 模拟物理过程，有利于观察中间细节

大学物理中的机械波概念，其中的横波能够通过实验比较直观地将其波形展现出来，但纵波却很难在实验中展示波形．可以通过模拟弹簧动画来演示纵波的物理过程［4］．

弹簧动画的模拟就是一个算法设计［5］，利用椭圆方程x=x0+a cosθ，y=y0+b sinθ画椭圆代表弹簧模型，选取弹簧上32个点，标记其初始中心位置为参考位置点，将弹簧上选定点的各时刻的实时位置(振动偏移位置)和初始中心位置对比确定弹簧各中心点的位移．

图1 弹簧模型、起始位置、偏移位置及波形传播动画截图

设椭圆方程中的a、b分别为0．04和0．8个波长，弹簧各点在其参考位置附近做简谐振动，模拟结果如图1所示．图1中从上往下依次为弹簧模型(显示各部分在该时刻的位置)、弹簧各部分中心点的起始位置及实时的各部分中心点的位置，后两者位置之差为其振动偏移……