顧媛媛 蔡 亮

(南京市第十二中學(xué) 江蘇 南京 210011)

例談FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件在高中物理中的應(yīng)用

顧媛媛 蔡 亮

(南京市第十二中學(xué) 江蘇 南京 210011)

在求解中學(xué)物理極值問題和較復(fù)雜物理規(guī)律時，有時會遇到復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而通過解析的方法推導(dǎo)出來，學(xué)生并不能得到直觀的感受．結(jié)合物理學(xué)習(xí)中的幾個實(shí)例，運(yùn)用FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件為學(xué)生提供一個新的研究方法．結(jié)果表明：若能在教學(xué)中使用此軟件的數(shù)據(jù)分析和圖形處理功能，能幫助學(xué)生有效和快速地理解和掌握物理規(guī)律，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)．

FORTRANORIGIN7.0 高中物理

1 在力學(xué)中的應(yīng)用

【例1】一根長l不可伸長的輕質(zhì)細(xì)線，一端懸于O點(diǎn)，另一端拴著一小球，如圖1所示，將細(xì)線拉直使小球和O點(diǎn)位于同一水平高度A處，由靜止釋放．小球從開始運(yùn)動到繩豎直的過程中，試說明小球所受重力的瞬時功率變化情況．

圖1 例1題圖

教學(xué)片斷：問題展示后，先讓同學(xué)們閱讀思考．

師：重力瞬時功率計(jì)算式是什么？

生甲：P=mgvcosθ.

師：θ表示重力和速度的夾角，初始時刻速度為多少？瞬時功率為多少？

生甲：初始時刻v=0，所以P=0.

師：很好，如果小球運(yùn)動到豎直位置時，速度為多少？瞬時功率為多少？

生乙：不對，雖然速度不為零，可是速度與重力的夾角是直角，cosθ=0，所以P=0，重力的瞬時功率為零．整個過程來看，重力的瞬時功率應(yīng)該是先增大后減?。?/p>

師：了不起！

筆者豎起大拇指，給予生乙贊賞的眼光，同時也對生甲給予鼓勵的掌聲．

生丙：老師，既然重力的瞬時功率應(yīng)該是先增大后減小，那么最大值的位置對應(yīng)在哪里呢？

一語驚醒夢中人，這種思想是多么的難能可貴啊，這種求真務(wù)實(shí)的態(tài)度是不是也值得筆者去學(xué)習(xí)啊．

師：很好，那老師就來推導(dǎo)給你看看．

結(jié)果學(xué)生聽的不是太明白,有點(diǎn)云里霧里．下課后，回到辦公室，筆者在想，如果能把瞬時功率變化的圖像展示給學(xué)生看看，不是可以幫助學(xué)生有效地理解問題和掌握物理規(guī)律嗎？

數(shù)值解：

小球從水平位置擺動到與水平方向成θ角的過程中，由機(jī)械能守恒定律，得

重力瞬時功率

令

上式變成

圖2 x-θ圖像

第二天上課，筆者把所做的過程和結(jié)果展示給學(xué)生看時，學(xué)生送給我的是熱烈的掌聲，他們心里想著，這老師還有兩把刷子?。P者也感到非常欣慰，課堂上他們學(xué)習(xí)物理的激情在提升，成績在同層次班級中自然也是拔尖的．

2 在電學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)“恒定電流”這章時，有個非常著名的實(shí)驗(yàn)叫伏安法測電阻，選用實(shí)驗(yàn)器材和器材的接法一直是實(shí)驗(yàn)常考的考點(diǎn)．在選擇滑動變阻器器材時，我告訴學(xué)生，一般情況下，滑動變阻器應(yīng)該選擇阻值小、額定電流大的那個，有個學(xué)生不以為然，非問為什么這樣呢？筆者想從純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)肯定能夠解決這個問題，但是太抽象，為何不用圖像直觀地展示給大家看呢？

筆者對大家說，給我一節(jié)課時間，下節(jié)課定會讓大家明白這其中的奧秘．

2.1 分壓接法

2.1.1 電路圖

分壓接法電路圖如圖3所示.

圖3 電路圖

2.1.2 電壓表讀數(shù)U

不計(jì)電源內(nèi)阻，不考慮電表內(nèi)阻的影響，當(dāng)滑片P處于位置B時，有

令

上式變成

其中k反映的是待測電阻與滑動變阻器阻值之間的比值關(guān)系，x反映的是滑動變阻調(diào)節(jié)阻值的變化，范圍0～1．利用FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件可以直觀地觀察到y(tǒng)隨x變化行為，從而可以得出一些重要特征．

2.1.3y-x圖像

分壓接法y-x圖像如圖4所示.

圖4 分壓接法y-x圖像

從圖4，我們可以知道以下特點(diǎn)：

(1)對應(yīng)不同的k值，y均可以從零變到1．

(2)k值越大，即待測電阻阻值大于滑動變阻器最大阻值，調(diào)節(jié)越均勻，成線性變化，可以看到k=10和k=100兩條線幾乎重合．

(3)k值越小，即待測電阻阻值小于滑動變阻器最大阻值，調(diào)節(jié)越不均勻，非線性變化，可以看出在x=0.6之前，y幾乎不變，但是在x=0.9，y就發(fā)生了突變．

(4)綜合上述考慮，既然調(diào)節(jié)范圍一樣，要想實(shí)驗(yàn)操作易、誤差小，k值較大較好．

2.2 限流接法

2.2.1 電路圖

限流接法電路圖如圖5所示.

圖5 限流接法電路圖

2.2.2 電壓表讀數(shù)U

不計(jì)電源內(nèi)阻，不考慮電表內(nèi)阻的影響，當(dāng)滑片P處于位置B時

分子分母同除以R得

令

上式變?yōu)?/p>

2.2.3y-x圖像

限流接法y-x圖像如圖6所示.

圖6 限流接法y-x圖像

從圖6，我們可以知道以下特點(diǎn)：

(1)k值大，線性變化好，但是調(diào)節(jié)范圍小，例如k=100時，y幾乎不隨x發(fā)生變化；k值小，不能均勻變化，但是調(diào)節(jié)范圍大，例如k=0.01，雖然調(diào)節(jié)范圍大，但是在x<0.1突變現(xiàn)象比較明顯，而在x>0.2，y值變化不明顯．

(2)與分壓接法不同，在限流接法中，對于不同的k取值，y并不能從零變化到1．

(3)綜合上述考慮，要想調(diào)節(jié)范圍較大，又要能夠較為線性的變化，從圖中可以看出，k=1左右較為合適．

第二次上課，筆者把兩種情況下的結(jié)果圖展示出來，并根據(jù)圖像講解了一下，分析為什么會出現(xiàn)這樣的選擇．學(xué)生心領(lǐng)神會，喜悅之情溢于言表，大家好才是真的好．學(xué)生對老師敬佩之余，也增強(qiáng)了自身

的科學(xué)素養(yǎng)，讓其認(rèn)識到未來的路還很漫長，我們所接觸的知識只不過是皮毛，我們還應(yīng)該更加主動地探索未知知識，為未來做好充分準(zhǔn)備．

3 小結(jié)

FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件在高中物理中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，可以繪制物體運(yùn)動規(guī)律曲線，可以進(jìn)行較復(fù)雜的天體運(yùn)動計(jì)算，可以處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以將抽象的等勢面電場線形象的表示出來等等．所以筆者認(rèn)為，在以后的物理教學(xué)中適當(dāng)?shù)囊腩愃频挠?jì)算機(jī)數(shù)值模擬有助于學(xué)生提高對概念的理解和深化，可以將復(fù)雜的變化過程具體化，可以“赤裸裸”地展示給學(xué)生，可以大大提高課堂效率，激發(fā)學(xué)生的興趣，同時也有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，讓他們認(rèn)識到科學(xué)是緊密的聯(lián)系在一起的．如果時間充裕，甚至還可以試著讓學(xué)生們自己做些簡單的編程和設(shè)計(jì)，必定對其終身發(fā)展有個不可替代的作用．

4 反思

這是筆者在教學(xué)中的一點(diǎn)想法，一點(diǎn)思考，一點(diǎn)展望，這些靈感全部來自于學(xué)生，如果不是他們的“咄咄逼人”，不是他們一個問題一定問出個所以然來，教師也不會把大學(xué)里學(xué)習(xí)到的編程軟件用到高中物理中來，更不會有現(xiàn)在的成績．如果在教學(xué)中我們本著更好地為學(xué)生服務(wù)的思想來準(zhǔn)備好每一節(jié)課，就是一節(jié)好課，不在乎多么華麗的外表，也不需要太多言語的包裝，只需要課堂上教師與學(xué)生之間有思想的交流，有火花的碰撞，這已經(jīng)就足夠了??！學(xué)生在發(fā)展，教師也要跟著發(fā)展，而且教師還必須走在學(xué)生的前頭，時刻為學(xué)生把握好方向和前進(jìn)的速度．在如今科技進(jìn)步如此迅速的時代，計(jì)算機(jī)語言進(jìn)入高中校園已不可避免，而教師要有自己的看家本領(lǐng)，還需掌握一些“旁門左道”，這樣才能在學(xué)生面前站穩(wěn)腳跟，才能更好地為學(xué)生服務(wù)．教學(xué)相長源遠(yuǎn)流長，其意義也絕不一般．

2016-08-05)