常曉慧 侯 恕

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130024)

應(yīng)用Algodoo仿真物理實(shí)驗(yàn)輔助高中物理規(guī)律教學(xué)

常曉慧 侯 恕

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130024)

以“開普勒三定律”、“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”、“動(dòng)量守恒定律”為例，示范如何應(yīng)用Algodoo仿真物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物理規(guī)律.最后對(duì)Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析.

Algodoo 仿真物理實(shí)驗(yàn) 高中物理規(guī)律教學(xué)

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]，應(yīng)用Algodoo模擬物理情境和顯示圖像功能進(jìn)行仿真物理實(shí)驗(yàn),具有操作簡(jiǎn)便、形象直觀、可進(jìn)行理想化實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)生成數(shù)據(jù)圖表快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).利用Algodoo可以模擬重力、摩擦力、引力等物理環(huán)境，可以創(chuàng)建任意形狀的二維物體(有一定的厚度)，并設(shè)置物體的材質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài).由于不受真實(shí)環(huán)境中不可控因素的影響，Algodoo可以提供理想化的物理?xiàng)l件，例如無摩擦、無空氣阻力的理想物理環(huán)境.不僅如此，利用Algodoo還可以模擬天體運(yùn)動(dòng)，例如行星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、雙星運(yùn)動(dòng)等.Algodoo具有實(shí)時(shí)輸出物體運(yùn)動(dòng)過程中顯示圖像的功能，在課堂上經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)可以直接得到物體各種狀態(tài)參量之間關(guān)系的圖像，師生通過共同分析顯示圖像得到物理規(guī)律.物理規(guī)律的建立離不開實(shí)驗(yàn)的輔助，在高中物理規(guī)律教學(xué)時(shí)，應(yīng)用Algodoo仿真物理實(shí)驗(yàn)可以有效幫助學(xué)生提升探究物理規(guī)律的興趣，建立物理過程、物理圖像與物理規(guī)律之間的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的本質(zhì).本文以“開普勒三定律”、“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”、“動(dòng)量守恒定律”為例，示范如何應(yīng)用Algodoo仿真物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證物理規(guī)律.最后對(duì)Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用前景進(jìn)行分析.

1 應(yīng)用Algodoo驗(yàn)證物理規(guī)律

1.1 驗(yàn)證開普勒三定律

1.1.1 行星運(yùn)動(dòng)的模擬

打開Algodoo軟件，新建場(chǎng)景，選擇圓形工具，

繪制一個(gè)大圓形、一個(gè)小圓形，設(shè)置材質(zhì)參數(shù)，大圓形的質(zhì)量約為1.95 kg，小圓形的質(zhì)量約為0.039 kg，設(shè)置兩個(gè)圓形之間的引力為0.1 N·m2/kg2，將小圓形以0.5 m/s的速度發(fā)射入軌道，在小圓形上設(shè)置循跡追蹤繪圖，如圖1所示，模擬行星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

圖1 模擬行星公轉(zhuǎn)場(chǎng)景

1.1.2 開普勒第一定律的驗(yàn)證

圖2 模擬行星的運(yùn)行軌跡圖

1.1.3 開普勒第二定律的驗(yàn)證

圖3 速度-時(shí)間圖像和引力勢(shì)能-時(shí)間圖像

1.1.4 開普勒第三定律的驗(yàn)證

由圖3中速度-時(shí)間圖像，讀出行星公轉(zhuǎn)周期T=10.60 s，由圖2行星的運(yùn)動(dòng)軌跡可知，半長(zhǎng)軸a=1.032 m，增大小圓形的環(huán)繞半徑，繪制新的運(yùn)行軌跡圖像和速度-時(shí)間圖像，讀取數(shù)據(jù)，半長(zhǎng)軸a′=1.291 5 m，周期T′=14.80 s，經(jīng)計(jì)算

驗(yàn)證開普勒第三定律，所有行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等.

1.2 驗(yàn)證簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.2.1 模擬簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

新建場(chǎng)景，選擇方框工具，繪制長(zhǎng)方框，選擇固定連接點(diǎn)，固定長(zhǎng)方框的兩端，選擇圓形工具，在長(zhǎng)方框的下面繪制圓形，設(shè)置圓形的材質(zhì)、密度參數(shù)，選擇彈簧工具，連接長(zhǎng)方框和圓形，設(shè)置彈簧的勁度系數(shù)、阻尼等參數(shù)，開啟重力，關(guān)閉空氣阻力，與彈簧一端相連的小圓形做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).

1.2.2 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像

繪制顯示圖表，將x坐標(biāo)設(shè)置為時(shí)間，y坐標(biāo)設(shè)置為小圓形位置坐標(biāo)的縱坐標(biāo)，圖像顯示的即為小圓形做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)圖像，如圖4所示.通過讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以知道做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物體的振動(dòng)圖像為正弦函數(shù)圖像，從圖表還可以讀出振幅、周期等描述簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的物理量.

圖4 簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖像

1.3 動(dòng)量守恒定律

新建場(chǎng)景，選擇方框工具，繪制兩個(gè)方形，設(shè)置方形物體的材質(zhì)、質(zhì)量和速度，顯示它們的速度-時(shí)間圖像，根據(jù)兩物體碰撞前后的圖像，得到碰撞前后的速度，通過計(jì)算可以知道，兩個(gè)方形物體的碰撞前后質(zhì)量與速度乘積的和是一個(gè)不變量，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.

2 Algodoo應(yīng)用于物理規(guī)律教學(xué)的前景分析

2.1 Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)相比于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)形象直觀，操作簡(jiǎn)便，不受實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，對(duì)于現(xiàn)實(shí)環(huán)境無法實(shí)現(xiàn)的理想環(huán)境，Algodoo也可以進(jìn)行模擬仿真.例如，行星運(yùn)動(dòng)的開普勒三定律，現(xiàn)實(shí)生活中無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，可以增加學(xué)生對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)，有效提升學(xué)生對(duì)開普勒三定律的深刻理解.例如，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察，獲得“離恒星越遠(yuǎn)，行星運(yùn)轉(zhuǎn)速度越慢，轉(zhuǎn)動(dòng)速度也越慢”的感官體驗(yàn)，隨即自然得到“隨著公轉(zhuǎn)半徑R的增大，線速度、角速度減小，周期增大”的定性結(jié)論.同時(shí)，Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)涉及的領(lǐng)域十分廣泛，力學(xué)中關(guān)于運(yùn)動(dòng)、能量等規(guī)律，光學(xué)中關(guān)于光的反射、折射等規(guī)律都可以進(jìn)行仿真模擬.

2.2 發(fā)掘圖像輔助教學(xué)功能

Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)可以將物體運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)參量(包括時(shí)間、位移、速度、角速度、加速度、力、動(dòng)能、勢(shì)能等)之間的關(guān)系圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出，學(xué)生通過對(duì)應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)情況與輸出圖像，可以建立物理過程與物理圖像的聯(lián)系，深刻認(rèn)識(shí)物理圖像的意義.教學(xué)過程中，可以請(qǐng)學(xué)生自行選擇圖像的橫縱坐標(biāo)，然后繪制圖像(定性地繪制草圖)，最后應(yīng)用Algodoo顯示圖表繪制圖像，驗(yàn)證學(xué)生手繪圖像的正確性，幫助學(xué)生提升應(yīng)用圖像表征物理過程的能力.學(xué)生建立起圖像與物理過程的關(guān)系之后，接下來就是教會(huì)學(xué)生如何應(yīng)用圖像得到物理規(guī)律.首先要引導(dǎo)學(xué)生從圖像中提取關(guān)鍵信息，包括圖像的極大值點(diǎn)、極小值點(diǎn)、斜率、交點(diǎn)坐標(biāo)、周期等，然后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，總結(jié)得到物理規(guī)律.通過分析圖像得到物理規(guī)律，不僅能使學(xué)生更加深刻地理解物理規(guī)律的涵義，同時(shí)可以有效提升學(xué)生的讀圖能力.圖像作為物理學(xué)習(xí)的重要工具，分析應(yīng)用圖像的能力是學(xué)好物理的必備能力，利用Algodoo平臺(tái)，發(fā)掘物理圖像演繹物理過程和驗(yàn)證物理規(guī)律的功能，不僅可以促進(jìn)高中物理規(guī)律教學(xué)，而且可以有效提升學(xué)生分析應(yīng)用圖像的能力.

2.3 豐富教學(xué)形式

應(yīng)用Algodoo不僅可以帶領(lǐng)學(xué)生在課堂上進(jìn)行探究，得到物理規(guī)律，而且可以將探究活動(dòng)延伸到課堂外面，豐富教學(xué)形式.例如，利用Algodoo進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的嘗試，給學(xué)生布置任務(wù)，課下利用Algodoo自行創(chuàng)建場(chǎng)景，并利用Algodoo場(chǎng)景分享功能對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行討論，然后課上，教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步深化知識(shí)學(xué)習(xí).也可以課上應(yīng)用Algodoo仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)了知識(shí)后，課下讓學(xué)生對(duì)課上實(shí)驗(yàn)做出自己的改進(jìn)，或者設(shè)計(jì)更好的方法，進(jìn)行自主探究，并分享交流.嘗試讓學(xué)生將典型習(xí)題中的場(chǎng)景進(jìn)行模擬，探究其中的物理規(guī)律，提高習(xí)題教學(xué)的趣味性.除了學(xué)習(xí)課上的知識(shí)，還可以讓學(xué)生在課外對(duì)原始問題進(jìn)行研究，例如應(yīng)用Algodoo模擬彩虹的形成，探究原始問題背后的物理規(guī)律.這種充滿趣味性的游戲?qū)W習(xí)可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γl(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造力.

1 王清.利用Algodoo軟件判求理想化的物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律.物理教師,2015,36(1):66～67

AssistingSeniorHighSchoolPhysicsLawTeachingUsingAlgodootoDoSimulationPhysicsExperiment

ChangXiaohuiHouShu

(Schoolofphysics,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

In this paper,“Kepler′s three law”, “simple harmonic motion”, “conservation of momentum” as an example to demonstrate how to use Algodoo simulation physical experiments to verify the laws of Physics.Finally, the application prospect of Algodoo simulation experiment in physics teaching in senior high school is analyzed.

Algodoo; simulation physics experiment; physics law teaching in high school

常曉慧(1992- )，女，在讀碩士，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.

指導(dǎo)教師：侯恕(1965- )，女，副教授，主要研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論.

2016-12-21)