本文摘要：物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。受實(shí)驗(yàn)條件限制，某些實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中難以完成。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。力學(xué)模塊中對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，Algodoo軟件在對(duì)力學(xué)中各種運(yùn)動(dòng)的仿真模擬以及對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)據(jù)提取方面有其優(yōu)勢(shì)。教師利用該工
物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。受實(shí)驗(yàn)條件限制，某些實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中難以完成。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。力學(xué)模塊中對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，Algodoo軟件在對(duì)力學(xué)中各種運(yùn)動(dòng)的仿真模擬以及對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)據(jù)提取方面有其優(yōu)勢(shì)。教師利用該工具可提高高中物理教學(xué)效益。下面，筆者介紹高中物理力學(xué)運(yùn)動(dòng)知識(shí)教學(xué)中軟件工具的使用方法。
一、仿真勻變速直線運(yùn)動(dòng)及定量研究
用圖像描述物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)比較直觀，但是，初學(xué)者難以將圖像和物體的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)起來。Algodoo軟件能模擬勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻變速直線運(yùn)動(dòng)，并同步繪制運(yùn)動(dòng)的位置—時(shí)間圖像、速度—時(shí)間圖像、加速度—時(shí)間圖像等，這對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)圖像并將圖像和運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)的創(chuàng)建及其對(duì)其加速度的測(cè)定為例介紹實(shí)驗(yàn)方法。
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物體質(zhì)量為1kg，與水平面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5，忽略空氣阻力。打開物體的圖像窗口，設(shè)定橫坐標(biāo)為加速度、縱坐標(biāo)為時(shí)間。運(yùn)行軟件，此時(shí)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(diǎn)并與時(shí)間軸重合的水平線。這些操作是為了降低測(cè)量的精度，使圖像更加平滑。
點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，然后為物體添加推進(jìn)器，設(shè)定推力為6N。啟動(dòng)后，圖像窗口中同步繪制的加速度圖像是一條平行于時(shí)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(dǎo)學(xué)生探究加速度與合外力的關(guān)系、加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、用時(shí)過長的不足。
二、仿真平拋運(yùn)動(dòng)及定量研究
高中物理中，平拋運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)部分的重點(diǎn)內(nèi)容。平拋運(yùn)動(dòng)的過程是短暫的，實(shí)驗(yàn)中其運(yùn)動(dòng)軌跡需要多次記錄。獲得路徑上的幾個(gè)位置后，實(shí)驗(yàn)者才能繪出運(yùn)動(dòng)軌跡。筆者用Algodoo軟件繪制了一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)物體的速度—時(shí)間圖像、高度—時(shí)間圖像，還繪制了橫坐標(biāo)是非時(shí)間的其他圖像，如勢(shì)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(yùn)動(dòng)的情境及其運(yùn)動(dòng)過程中的3個(gè)圖像。軟件同時(shí)繪出物體的動(dòng)能、重力勢(shì)能和機(jī)械能隨時(shí)間變化的圖像。從圖像可以看出，球在平拋的過程中，其動(dòng)能在增大，重力勢(shì)能在減小，而動(dòng)能和勢(shì)能的總和，即機(jī)械能是不變的。如此實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，如牛頓擺的趣味運(yùn)動(dòng)、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(shí)驗(yàn)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(shí)間的變化。由此可以看出，碰撞時(shí)間持續(xù)0.03s，最大彈力達(dá)400N，最大彈力是重力的102倍。碰地前瞬時(shí)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(shí)際的。平時(shí)經(jīng)常遇到不符合碰撞實(shí)際的題目，如果用其教學(xué)會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生。仿真實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)展現(xiàn)能讓學(xué)生體驗(yàn)到碰撞雖然是瞬間發(fā)生的，但依然有一個(gè)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(jī)等。碰撞也會(huì)給人們帶來意想不到的傷害，如車禍等。教師通過仿真實(shí)驗(yàn)也可以驗(yàn)證命題時(shí)設(shè)定數(shù)據(jù)的科學(xué)性。
四、仿真彈簧振子運(yùn)動(dòng)及定量研究
機(jī)械振動(dòng)是高中力學(xué)部分的難點(diǎn)內(nèi)容，新課標(biāo)要求通過實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)簡諧運(yùn)動(dòng)的特征，用公式和圖像來描述簡諧運(yùn)動(dòng)。教學(xué)中經(jīng)常以彈簧振子為例研究簡諧振動(dòng)。實(shí)際上，通過彈簧振子研究簡諧運(yùn)動(dòng)，獲得振子運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和位移等物理量是比較困難的，因?yàn)檫@些物理量是時(shí)刻在變化的。用Algodoo軟件仿真彈簧振子的運(yùn)動(dòng)十分便捷：先創(chuàng)建球和彈簧，再設(shè)定阻力和阻尼系數(shù)為零即可。
運(yùn)行軟件后，選擇移動(dòng)工具，拖動(dòng)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(dòng)。用軟件的圖像功能同步繪制小球振動(dòng)的位移—時(shí)間圖像、速度—時(shí)間圖像、加速度—時(shí)間圖像、動(dòng)能—時(shí)間圖像等。圖5所示為振子的動(dòng)能變化圖像和彈簧的彈性勢(shì)能變化圖像。從圖像可見，振子從位移最大值點(diǎn)到平衡位置的過程中，動(dòng)能增大，勢(shì)能減小。從圖像上還能讀出能量值，用于探究能量轉(zhuǎn)化關(guān)系。值得注意的是，Algodoo軟件只能繪制對(duì)象的速率圖像(沒有縱坐標(biāo)的負(fù)半軸)，期望軟件能夠升級(jí)并解決該問題。
五、仿真天體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部分，萬有引力定律及其應(yīng)用被列為重點(diǎn)內(nèi)容，是理論聯(lián)系實(shí)際、開展愛國主義教育和科學(xué)教育的重要素材。天體運(yùn)動(dòng)屬于宏觀運(yùn)動(dòng)，人們無法在實(shí)驗(yàn)室完成這些實(shí)驗(yàn)。Algodoo軟件在模擬天體運(yùn)動(dòng)方面有其優(yōu)勢(shì)，并且能進(jìn)行一些項(xiàng)目的定量研究。萬有引力常量G是一個(gè)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(duì)象質(zhì)量設(shè)定的上限是1000kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天體的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)者可以改變?nèi)f有引力常量的大小(比如設(shè)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(yùn)動(dòng)。Algodoo軟件能模擬天體運(yùn)動(dòng)的類型很多：模擬行星繞恒星的圓形軌道運(yùn)動(dòng)和橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，其中橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的速度變化遵守開普勒定律;模擬多個(gè)行星在不同軌道上繞同一恒星運(yùn)動(dòng)，用于比較軌道半徑對(duì)行星運(yùn)動(dòng)速度和周期的影響;模擬雙星的運(yùn)動(dòng)和三星的運(yùn)動(dòng);模擬航天器的發(fā)射過程等。
衛(wèi)星繞行時(shí)速度大小是變化的，近地點(diǎn)速度大，遠(yuǎn)地點(diǎn)速度小。衛(wèi)星從近地點(diǎn)到遠(yuǎn)地點(diǎn)速度變小，從遠(yuǎn)地點(diǎn)到近地點(diǎn)速度變大，遵守開普勒定律。仿真實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能隨時(shí)間變化的圖像和衛(wèi)星引力勢(shì)能隨時(shí)間變化的圖像。
從圖像可以看出，當(dāng)衛(wèi)星從軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)向近地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能變小，而引力勢(shì)能增大，總的機(jī)械能是不變的。軟件生成的圖像能直觀地描述天體的運(yùn)動(dòng)，并與天體的運(yùn)動(dòng)情境同步，這有利于學(xué)生深入思考問題。比如，一些學(xué)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(yuǎn)地點(diǎn)速度大、近地點(diǎn)速度小有關(guān)。軟件輔助實(shí)驗(yàn)為學(xué)生深度學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件。
Algodoo軟件非常適于力學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真，可以仿真高中物理遇到的常見運(yùn)動(dòng)，還可以仿真其他運(yùn)動(dòng)，如球在槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)、齒輪的傳動(dòng)、分子的熱運(yùn)動(dòng)等，對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)器具有一定的彌補(bǔ)作用。需要指出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)具有省時(shí)間、效果顯著等優(yōu)勢(shì)，但它畢竟不是真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在條件許可的情況下，能做的實(shí)驗(yàn)依然要?jiǎng)邮滞瓿伞?/p>
作者：喬永海
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