物理仿真软件在物理教学中的应用探讨——以“变压器”教学为例

黄爱凤

(江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161)

·现代教育技术·

物理仿真软件在物理教学中的应用探讨
——以“变压器”教学为例

黄爱凤

(江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161)

本文以Comsol Mutiphysics软件在“变压器”教学中的应用为例，探讨物理仿真软件在物理教学中应用的可行性，供广大一线教师参考.

仿真软件；物理教学；电磁感应

随着科学技术的不断进步，创新型人才的培养逐渐被大家所重视，物理教学对培养创新型人才有着至关重要的作用.由于各种因素的限制，有些物理原理及其应用等不能从课堂实验的现象或结果中呈现，导致学生对于物理原理理解上出现偏差.随着计算机技术的不断更新发展，虚拟仿真技术作为软件技术与物理教学整合的途径之一，为物理教学改革提供了一条思路.近年来几何画板、Matlab等软件逐渐受到广大物理教师的认可，而调查发现，以物理方程为内核，解决多重物理耦合的软件Comsol Mutiphysics还未得到一线物理教师的广泛认知.本文以Comsol Multiphysics中变压器模型为例，介绍物理仿真软件在物理教学中应用的可行性.

1 “变压器”教学探讨

图1

2 在Comsol Mutiphysics中变压器的建模与设置

2.1 模型建立

Comsol Mutiphysics的基本建模流程为：确定物理模块→建立几何模型→设定计算条件→物理模型设定→结果设定.在确定物理模块环节中，至少需选择软件中已经设定好的力、热、电、磁、光等模块中的一个，亦可根据实际问题需要多选.如变压器模型，可选择电学模块中的AC/DC模块，也需要选择磁场模块.考虑到涡流及发热情况的话，仍需选择电场模块及热分布模块，且物理量是随时间变化的，需要选择在随时变化环境下进行建模.由于篇幅限制，本文只选择了磁场、电路这两个模块下的时间求解环节，其他的未做考虑.

几何模型是建立实际求解问题的计算空间、初始条件设置的载体及结果展现的设定，根据需要，建立从实际问题上抽象出来的几何模型.以变压器为例，可建立作为磁场分布区域的铁芯为三维的矩形结构；建立初、次级线圈作为电流分布载体的圆柱形分布结构；为了简化问题，本文将初、次级线圈以同心圆柱体模型作为电流分布结构，结构的整体模型及线圈和铁芯建模后的结构分别如图2(a)、(b)、(c)所示.

图2

在完成几何模型结构后，需要将基本的初始条件进行设置，如图1中的线圈匝数Ns、Np，外电源电动势最大值Uac、频率f、电阻Rp、Rs.

这样的偏微分方程及边界条件是该软件的核心内容，同样也是软件使用初期较难上手的一个主要问题，因此软件当中自带了较多的应用范例及物理学偏微分方程说明文档，方便使用者的自学与练习.

结果设定部分则是计算结果的输出及展示，也就是期望看到哪些结果，呈现方式是什么.以变压器为例，我们希望能得到铁芯当中的磁场分布，初、次级线圈中电压、电流随时间的变化关系等.

2.2 计算结果与讨论

为了能让学生获得准确、清晰、生动的知识展示以达到更好的教学效果，三维图形或者三维视频作为教学中的素材应该是当前技术下的首选，特别是在电磁场部分的教学当中，电场或者磁场的分布在其大小及方向随时间变化的情况下，非常难以用语言进行阐述，给学生以生动的三维图像展示能在教学中事半功倍.如图3所示为变压器铁芯中磁场分布及线圈当中电流走向的三维结果，用不同颜色标示了铁芯中各个部位磁感应强度的大小，颜色偏红表示磁感应强度较大，偏蓝则较小，从中可以看出磁场整体在铁芯中的环形分布.在拐角处铁芯中的磁感线受到挤压而在局部变大，从细节处印证了软件计算结果的正确性.图3中围绕线圈的黑、蓝色箭头分别代表了t=0.05s时刻初、次级线圈中的电流方向，这也可以从楞次定律中得到验证.在三维模型中可以自由旋转进行展示计算结果的各个细节，也可以选择特定的点、线、面读取对应的磁场的大小及分布，如图4所示为图3中立体模型的中截面，各点上的磁感应强度分布用黑色箭头表示.

图3

图4

由于在模型设置时选择了随时求解的模块，软件仿真结果能以视频流的形式，展现不同时刻磁场的分布变化、电流的大小及方向的随时间变化等等，这是“变压器”教学中极为形象生动的教学素材.

3 结语

本文以“变压器”教学为例，简述教学过程中遇到的问题，提出可通过现有的物理仿真软件进行教学素材的制作，并适当应用到教学过程中去.Comsol Multiphysics作为一个物理学耦合软件，包含了各类物理学问题的模型仿真，上手具有一定的难度，但所包含的一些应用范例可作为物理教学的案例，供基础扎实的一线物理教师参考.

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