摘? 要：圖像問題是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。用圖像可以描述物體運(yùn)動(dòng)中的物理量變化，具有直觀、信息量大等優(yōu)點(diǎn)。學(xué)生以圖像為工具可以認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)和探究問題。Algodoo軟件能繪制各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度、加速度、能量等變化的圖像，對圖像教學(xué)有重要意義。學(xué)生開始學(xué)習(xí)圖像時(shí)，要學(xué)習(xí)勻速直線運(yùn)動(dòng)和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的圖像，Algodoo可以根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)情境實(shí)時(shí)繪制這些運(yùn)動(dòng)的位置和速度圖像。探究機(jī)械能守恒定律時(shí)，Algodoo可以繪制平拋或者自由落體運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能、勢能、機(jī)械能變化的圖像，從圖像上能直觀地發(fā)現(xiàn)規(guī)律，這是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的補(bǔ)充。Algodoo能繪制許多新穎的圖像，如機(jī)械能-時(shí)間圖像、機(jī)械能-位置圖像、速度-位置圖像等，對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和綜合能力的提高有輔助作用。

關(guān)鍵詞：軟件工具;Algodoo;信息技術(shù);圖像;運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2021）10-0045-4

高中物理中，圖像有其重要的地位。用圖像來描述物理過程或情境，有直觀、全面和信息量大等特點(diǎn)，比如物體運(yùn)動(dòng)的速度圖像里蘊(yùn)藏有速度、位移和加速度的信息。圖像對物理概念的認(rèn)識(shí)和深入理解是有幫助的，如速度圖的斜率表示加速度，這是從幾何視角認(rèn)識(shí)加速度的概念。圖像是分析問題的工具、呈現(xiàn)信息的載體，比如用圖像分析一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能、重力勢能和機(jī)械能的變化。Algodoo軟件能對一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像描繪，可以繪制的圖像有484種，操作簡單，對高中物理圖像教學(xué)有重要的輔助作用。

1? ? Algodoo在學(xué)生開始學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)的應(yīng)用

1.1? ? 研究勻速直線運(yùn)動(dòng)

高一物理第一章《認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)》，是學(xué)生認(rèn)識(shí)物體運(yùn)動(dòng)圖像的開始，包括位移圖像和速度圖像，以勻速直線運(yùn)動(dòng)的圖像描述為重點(diǎn)。

1.1.1? ? 勻速直線運(yùn)動(dòng)的位置-時(shí)間圖像

新建一個(gè)Algodoo 文件，開啟網(wǎng)格，選用“方框工具”在中線處創(chuàng)建物體A，默認(rèn)中線為坐標(biāo)原點(diǎn)，點(diǎn)擊物體后按動(dòng)鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單里選“材質(zhì)”，把“摩擦力（實(shí)際是動(dòng)摩擦因數(shù)）”數(shù)值修改為零（以下簡化為“把摩擦力修改為零”），設(shè)置物體的初速度為2 m/s，創(chuàng)建的情境如圖1所示。

選擇物體，在快捷菜單里選擇“顯示圖表”，運(yùn)行軟件，圖表中實(shí)時(shí)顯示物體的位置-時(shí)間圖像。運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后暫停，點(diǎn)擊“還原”圖標(biāo)，物體回到初始位置。點(diǎn)擊“移動(dòng)工具”，移動(dòng)物體的初始位置，重復(fù)上述操作，獲得物體速度相同、初始位置不同時(shí)的位置-時(shí)間圖像（圖2）。同一物體的圖像會(huì)顯示在同一圖表上，便于對比。

1.1.2? ? 不同速度物體的位置-時(shí)間圖像

我們還可以改變物體的速度，來獲得同起點(diǎn)、不同速度物體的位置-時(shí)間圖像。可以看到，物體速度越大，對應(yīng)的圖像斜率越大，如圖3所示。

1.1.3? ? 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程的位置-時(shí)間圖像

如何完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的圖像繪制呢？重復(fù)上述操作，運(yùn)行1 s后暫停，修改物體速度為零，再運(yùn)行1 s后暫停，修改物體速度為-2 m/s，運(yùn)行1 s后暫停，獲得如圖4的圖像。圖像能描述這些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，顯示出圖像功能的強(qiáng)大，加深學(xué)生對圖像的認(rèn)識(shí)。

1.1.4? ? 勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像

改變圖表的縱坐標(biāo)為速度，用上述方法可以獲得不同勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像。軟件會(huì)根據(jù)圖像的特點(diǎn)自動(dòng)設(shè)置縱坐標(biāo)的起始位置，為了避免縱坐標(biāo)不為零的情況發(fā)生，先設(shè)置物體速度為零，運(yùn)行獲得圖線后，再繪制其他圖像，圖線的縱坐標(biāo)起點(diǎn)就是零點(diǎn)了，如圖5所示。

1.2? ? 研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)

勻變速直線運(yùn)動(dòng)是高中物理研究的重點(diǎn)，如何讓物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)呢？這要用到 “推進(jìn)器工具”。修改物體的速度為零，讓物體位于坐標(biāo)原點(diǎn)。選擇“推進(jìn)器工具”，點(diǎn)擊物體中間，不要松手，拖動(dòng)使推進(jìn)器的箭頭朝右，釋放鼠標(biāo)。設(shè)置推進(jìn)器推力為1 N，如圖6所示。

1.2.1? ? 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位置-時(shí)間圖像

打開物體的圖像窗口，縱坐標(biāo)選擇位置（x），運(yùn)行軟件，獲得物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位置-時(shí)間圖像（圖7），是一條拋物線。勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位置-時(shí)間圖像是一條曲線，這是傳統(tǒng)教學(xué)的難點(diǎn)。我們過去對于該圖像的教學(xué)設(shè)計(jì)是，新課學(xué)習(xí)時(shí)回避該圖像，在習(xí)題里滲透。結(jié)合該軟件引入勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位置-時(shí)間圖像，順理成章，難點(diǎn)悄然突破，這是信息工具對教學(xué)方式改變的案例。

1.2.2? ? 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像

設(shè)置推進(jìn)器的推力為1 N，可以得到勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像。讓物體復(fù)位，改變推進(jìn)器的推力為2 N，再繪制一條速度-時(shí)間圖像，改變推力為0.5 N，獲得對應(yīng)的速度-時(shí)間圖像，如圖8所示。

1.2.3? ? 復(fù)雜的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像

在物體上再安置一個(gè)向左的推進(jìn)器，如圖9所示。左邊推進(jìn)器L推力設(shè)為1 N，在屬性窗口里勾選“切換”，啟動(dòng)鍵定義為h，該鍵將成為控制推進(jìn)器的控制鍵。運(yùn)行時(shí)，開始推進(jìn)器不工作，按動(dòng)h鍵后點(diǎn)火施加推力，再按動(dòng)將停止施加推力。右邊推進(jìn)器R推力設(shè)為1 N，勾選“切換”，啟動(dòng)鍵定義為：g。

運(yùn)行軟件，先按動(dòng)h鍵，物體開始加速;一段時(shí)間后，再按動(dòng)h鍵，物體勻速;一段時(shí)間后，再按動(dòng)g鍵，物體減速，速度減為零時(shí)停止運(yùn)行。獲得物體的速度-時(shí)間圖像如圖10所示。這里把物體的變速運(yùn)動(dòng)和推進(jìn)器的推力聯(lián)系起來，對后續(xù)的牛頓定律的學(xué)習(xí)有鋪墊作用。力改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理觀念是學(xué)生初中就具備的，因此，學(xué)生接受起來并不困難。

2? ? Algodoo在學(xué)生應(yīng)用圖像解決問題中發(fā)揮的作用

熟悉了物體的運(yùn)動(dòng)圖像，今后的學(xué)習(xí)中就能夠以圖像為工具來探究規(guī)律和解決問題了。

2.1? ? 探究做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)械能守恒

新建一個(gè)文件，刪除水平面，創(chuàng)建一個(gè)球，球最好在縱坐標(biāo)大于零的某一位置，關(guān)閉空氣阻力。打開物體的圖像窗口，橫坐標(biāo)默認(rèn)是時(shí)間，縱坐標(biāo)同時(shí)勾選“動(dòng)能（全部）”“重力勢能”“總能量”三項(xiàng)。運(yùn)行軟件，當(dāng)物體即將到達(dá)y=0位置停止運(yùn)行，圖像窗口中同時(shí)繪制出物體自由下落時(shí)的三條圖線，如圖11所示。物體的動(dòng)能越來越大，對應(yīng)圖線甲;物體的重力勢能越來越小，對應(yīng)圖線乙;物體的動(dòng)能和勢能的總和不變，對應(yīng)圖線丙，而且是水平的直線，說明物體的機(jī)械能是守恒的。

圖線以直觀的方式實(shí)時(shí)展示出物體運(yùn)動(dòng)過程中所需物理量的變化，便于探究規(guī)律，這對我們的教學(xué)方式會(huì)產(chǎn)生積極影響，一些昔日的教學(xué)難點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)樾滦畔⒓夹g(shù)手段的出現(xiàn)而化解。

2.2? ? 研究碰撞過程

在圖11的基礎(chǔ)上，在小球的下面繪制水平面，打開小球的圖像窗口，點(diǎn)擊“Y坐標(biāo)”按鈕，選中“加速度（y）”， 可以獲得小球自由下落、碰地和反彈的加速度-時(shí)間圖像，如圖12所示。從圖像可以看出，小球碰撞地面時(shí)加速度突然變化，碰撞的時(shí)間是0.04 s。碰撞過程是極短時(shí)間發(fā)生的，平時(shí)教學(xué)中缺乏技術(shù)手段記錄這些數(shù)據(jù)，該軟件就起到重要的工具作用。

2.3? ? 研究彈簧振子的運(yùn)動(dòng)

簡諧振動(dòng)是高中物理研究的較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，圖像能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)簡諧振動(dòng)。建立彈簧振子（圖13），關(guān)閉空氣阻力，設(shè)置摩擦力為零。

顯示振子的圖像窗口，獲得振子振動(dòng)過程的速度-時(shí)間圖像（圖14）。降低演示速度能觀察運(yùn)動(dòng)過程的細(xì)節(jié)，這種實(shí)時(shí)的圖像記錄是學(xué)生探究未知運(yùn)動(dòng)的工具。如果開放空氣阻力，就能獲得阻尼振動(dòng)的圖像。

3? ? Algodoo為學(xué)生創(chuàng)造性地使用圖像提供幫助

隨著學(xué)生認(rèn)知水平的提高，我們還可以給學(xué)生介紹一些其他種類的圖像，橫坐標(biāo)可以是其他量，這種“另類圖像”能打破學(xué)生的思維定式，對創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是有幫助的，下面舉例說明。

新建一個(gè)文件，創(chuàng)建一個(gè)小球，設(shè)置其彈性系數(shù)為1，關(guān)閉空氣阻力。打開小球的圖像窗口，橫坐標(biāo)選位置（y），縱坐標(biāo)選速度（x），運(yùn)行獲得小球觸地反彈過程的速度-位置圖像（圖15）。這種圖像和橫坐標(biāo)是時(shí)間的圖像是不同的，圖線不是向右延伸，而是一條往返曲線。

再舉例，一個(gè)物塊放在粗糙的固定斜面上，物塊與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，斜面傾角為θ，滿足μ<tanθ。給物塊一個(gè)沿斜面向上的初速度，物塊沿著斜面做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，之后又向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械能隨時(shí)間的變化圖像如圖16所示。從圖像可以看出，物塊的機(jī)械能是不斷減小的，但減小的快慢有變化，物塊速度大時(shí)機(jī)械能減小得快，圖線斜率大;物塊速度小時(shí)機(jī)械能減小得慢，圖線斜率小。

學(xué)生一旦把圖像和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，就能夠從圖像上挖掘信息，有利于解決問題;圖像從不同側(cè)面描述運(yùn)動(dòng)，學(xué)生可以以此為工具來認(rèn)識(shí)和研究運(yùn)動(dòng)。

Algodoo軟件的圖像橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都有22種項(xiàng)目來選擇，學(xué)生可以任意選擇坐標(biāo)軸的物理量，得到很多“好玩”的圖像來。我們可以布置“玩游戲”作業(yè)，讓學(xué)生繪制“新奇的圖像”來“難倒”其他同學(xué)，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很有幫助。

本文只介紹了Algodoo的圖像功能，其他功能對高中物理教學(xué)也有很好的輔助作用，例如，該軟件能顯示物體之間的作用力，用于可視化力的教學(xué)[1];利用軟件中的推進(jìn)器可以模擬復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，輔助習(xí)題教學(xué)[2];利用液體流動(dòng)的特點(diǎn)，演示水流星在不同速度下容器中液體的運(yùn)動(dòng)[3];利用Algodoo探究復(fù)雜的物理問題，如探究拋體運(yùn)動(dòng)的最值問題[4]。Algodoo和高中物理融合的成果越來越多，融合的研究正逐步深入。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬永海.軟件工具的可視化力在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2021，39（05）：49-51.

[2]喬永海.Algodoo軟件的推進(jìn)器在創(chuàng)設(shè)互動(dòng)式運(yùn)動(dòng)情境中的應(yīng)用[J].物理通報(bào)，2021（09）：119-123.

[3]喬永海.Algodoo制作物理課件的方法和技巧——以“圓周運(yùn)動(dòng)”為例[J].湖南中學(xué)物理，2021，36（03）：58-59+96.

[4]喬永海.用軟件工具探究拋體運(yùn)動(dòng)的最值問題[J].物理教學(xué)探討，2021，39（02）：46-48.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

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