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）