本文摘要：物理學是建立在實驗基礎上的科學。受實驗條件限制，某些實驗在教學中難以完成。數(shù)字化實驗是對真實實驗的有效補充。力學模塊中對運動的研究是教學的重點和難點，Algodoo軟件在對力學中各種運動的仿真模擬以及對運動過程的數(shù)據(jù)提取方面有其優(yōu)勢。教師利用該工
物理學是建立在實驗基礎上的科學。受實驗條件限制，某些實驗在教學中難以完成。數(shù)字化實驗是對真實實驗的有效補充。力學模塊中對運動的研究是教學的重點和難點，Algodoo軟件在對力學中各種運動的仿真模擬以及對運動過程的數(shù)據(jù)提取方面有其優(yōu)勢。教師利用該工具可提高高中物理教學效益。下面，筆者介紹高中物理力學運動知識教學中軟件工具的使用方法。
一、仿真勻變速直線運動及定量研究
用圖像描述物體的機械運動比較直觀，但是，初學者難以將圖像和物體的運動對應起來。Algodoo軟件能模擬勻速直線運動和勻變速直線運動，并同步繪制運動的位置—時間圖像、速度—時間圖像、加速度—時間圖像等，這對于學生認識圖像并將圖像和運動對應起來是有幫助的。圖像提供了定量的數(shù)據(jù)，可以用于探究物理問題。筆者以物體做勻變速直線運動的創(chuàng)建及其對其加速度的測定為例介紹實驗方法。
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物體質(zhì)量為1kg，與水平面之間的動摩擦因數(shù)為0.5，忽略空氣阻力。打開物體的圖像窗口，設定橫坐標為加速度、縱坐標為時間。運行軟件，此時物體靜止，加速度為零，圖像窗口展示的加速度圖像是過原點并與時間軸重合的水平線。這些操作是為了降低測量的精度，使圖像更加平滑。
點擊復位按鈕，然后為物體添加推進器，設定推力為6N。啟動后，圖像窗口中同步繪制的加速度圖像是一條平行于時間軸的線段。圖像顯示物體的加速度為1m/s2。筆者借助軟件引導學生探究加速度與合外力的關系、加速度與物體質(zhì)量的關系，彌補傳統(tǒng)實驗過程復雜、用時過長的不足。
二、仿真平拋運動及定量研究
高中物理中，平拋運動是曲線運動部分的重點內(nèi)容。平拋運動的過程是短暫的，實驗中其運動軌跡需要多次記錄。獲得路徑上的幾個位置后，實驗者才能繪出運動軌跡。筆者用Algodoo軟件繪制了一個平拋運動物體的速度—時間圖像、高度—時間圖像，還繪制了橫坐標是非時間的其他圖像，如勢能—高度圖像等。
質(zhì)量為0.5kg的球從5m高處以2m/s的初速度做平拋運動的情境及其運動過程中的3個圖像。軟件同時繪出物體的動能、重力勢能和機械能隨時間變化的圖像。從圖像可以看出，球在平拋的過程中，其動能在增大，重力勢能在減小，而動能和勢能的總和，即機械能是不變的。如此實驗可以驗證機械能守恒定律，這是傳統(tǒng)實驗難以完成的。
三、仿真碰撞過程及定量研究
利用Algodoo軟件可以仿真各種碰撞過程，包括彈性碰撞、完全非彈性碰撞、一般碰撞、正碰和斜碰，還可以完成很多有趣的碰撞實驗，如牛頓擺的趣味運動、上下疊放的雙球落地后上面的球高速彈跳等。碰撞過程極其短暫，在實驗室里完成碰撞過程的數(shù)據(jù)記錄是比較困難的。
質(zhì)量為0.393kg的球從4m高處落下，球碰撞地面的短瞬間，軟件記錄碰撞的過程中彈力隨時間的變化。由此可以看出，碰撞時間持續(xù)0.03s，最大彈力達400N，最大彈力是重力的102倍。碰地前瞬時速度為8.94m/s，估算最大形變量為0.07m。
球的直徑是0.5m，直徑為50cm的球發(fā)生7cm的形變，是比較符合實際的。平時經(jīng)常遇到不符合碰撞實際的題目，如果用其教學會誤導學生。仿真實驗及其數(shù)據(jù)展現(xiàn)能讓學生體驗到碰撞雖然是瞬間發(fā)生的，但依然有一個過程。碰撞力往往是巨大的，可以被人們利用，如鍛造工件、打夯機等。碰撞也會給人們帶來意想不到的傷害，如車禍等。教師通過仿真實驗也可以驗證命題時設定數(shù)據(jù)的科學性。
四、仿真彈簧振子運動及定量研究
機械振動是高中力學部分的難點內(nèi)容，新課標要求通過實驗來認識簡諧運動的特征，用公式和圖像來描述簡諧運動。教學中經(jīng)常以彈簧振子為例研究簡諧振動。實際上，通過彈簧振子研究簡諧運動，獲得振子運動的速度、加速度和位移等物理量是比較困難的，因為這些物理量是時刻在變化的。用Algodoo軟件仿真彈簧振子的運動十分便捷：先創(chuàng)建球和彈簧，再設定阻力和阻尼系數(shù)為零即可。
運行軟件后，選擇移動工具，拖動小球離開平衡位置一定距離后將其釋放。小球開始做簡諧振動。用軟件的圖像功能同步繪制小球振動的位移—時間圖像、速度—時間圖像、加速度—時間圖像、動能—時間圖像等。圖5所示為振子的動能變化圖像和彈簧的彈性勢能變化圖像。從圖像可見，振子從位移最大值點到平衡位置的過程中，動能增大，勢能減小。從圖像上還能讀出能量值，用于探究能量轉(zhuǎn)化關系。值得注意的是，Algodoo軟件只能繪制對象的速率圖像(沒有縱坐標的負半軸)，期望軟件能夠升級并解決該問題。
五、仿真天體運動及定量研究
牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，這在人類科技史上具有里程碑意義。高中物理的曲線運動部分，萬有引力定律及其應用被列為重點內(nèi)容，是理論聯(lián)系實際、開展愛國主義教育和科學教育的重要素材。天體運動屬于宏觀運動，人們無法在實驗室完成這些實驗。Algodoo軟件在模擬天體運動方面有其優(yōu)勢，并且能進行一些項目的定量研究。萬有引力常量G是一個很小的常量，只有大質(zhì)量天體之間的萬有引力才顯著。
在Algodoo軟件中，對象質(zhì)量設定的上限是1000kg，遠遠小于天體的質(zhì)量。實驗者可以改變?nèi)f有引力常量的大小(比如設定G的值為5)，使一般質(zhì)量物體之間的引力表現(xiàn)明顯，從而模擬天體的運動。Algodoo軟件能模擬天體運動的類型很多：模擬行星繞恒星的圓形軌道運動和橢圓軌道運動，其中橢圓軌道運動的速度變化遵守開普勒定律;模擬多個行星在不同軌道上繞同一恒星運動，用于比較軌道半徑對行星運動速度和周期的影響;模擬雙星的運動和三星的運動;模擬航天器的發(fā)射過程等。
衛(wèi)星繞行時速度大小是變化的，近地點速度大，遠地點速度小。衛(wèi)星從近地點到遠地點速度變小，從遠地點到近地點速度變大，遵守開普勒定律。仿真實驗不需要編程，大大降低了操作難度。我們還可以用Algodoo軟件的圖像功能同步繪制衛(wèi)星做橢圓運動時的動能隨時間變化的圖像和衛(wèi)星引力勢能隨時間變化的圖像。
從圖像可以看出，當衛(wèi)星從軌道的遠地點向近地點運動時，其動能變小，而引力勢能增大，總的機械能是不變的。軟件生成的圖像能直觀地描述天體的運動，并與天體的運動情境同步，這有利于學生深入思考問題。比如，一些學生觀察到，衛(wèi)星的速度圖像和正弦曲線比較接近，但是圖像的谷部平緩、峰部尖銳，這與遠地點速度大、近地點速度小有關。軟件輔助實驗為學生深度學習創(chuàng)造了條件。
Algodoo軟件非常適于力學實驗仿真，可以仿真高中物理遇到的常見運動，還可以仿真其他運動，如球在槽內(nèi)的運動、齒輪的傳動、分子的熱運動等，對實體實驗器具有一定的彌補作用。需要指出的是，虛擬實驗具有省時間、效果顯著等優(yōu)勢，但它畢竟不是真實實驗，在條件許可的情況下，能做的實驗依然要動手完成。
作者：喬永海
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