摘? 要:圖像問(wèn)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(wèn)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(duì)圖像教學(xué)有重要意義。學(xué)生開(kāi)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(shì)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(duì)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(duì)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(lèi)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(lái)描述物理過(guò)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(duì)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(wèn)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(shì)能和機(jī)械能的變化。Algodoo軟件能對(duì)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jiǎn)單,對(duì)高中物理圖像教學(xué)有重要的輔助作用。
1? ? Algodoo在學(xué)生開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiǎn)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(duì)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(lái)獲得同起點(diǎn)、不同速度物體的位置-時(shí)間圖像??梢钥吹?,物體速度越大,對(duì)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(guò)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(duì)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(kāi)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(guò)去對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(lái),對(duì)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(lái)并不困難。
2? ? Algodoo在學(xué)生應(yīng)用圖像解決問(wèn)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(lái)探究規(guī)律和解決問(wèn)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(kāi)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(shì)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(lái)越大,對(duì)應(yīng)圖線甲;物體的重力勢(shì)能越來(lái)越小,對(duì)應(yīng)圖線乙;物體的動(dòng)能和勢(shì)能的總和不變,對(duì)應(yīng)圖線丙,而且是水平的直線,說(shuō)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(guò)程中所需物理量的變化,便于探究規(guī)律,這對(duì)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(guò)程
在圖11的基礎(chǔ)上,在小球的下面繪制水平面,打開(kāi)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)的圖像,橫坐標(biāo)可以是其他量,這種“另類(lèi)圖像”能打破學(xué)生的思維定式,對(duì)創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是有幫助的,下面舉例說(shuō)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(kāi)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(guò)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(lái),就能夠從圖像上挖掘信息,有利于解決問(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)。我們可以布置“玩游戲”作業(yè),讓學(xué)生繪制“新奇的圖像”來(lái)“難倒”其他同學(xué),對(duì)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(duì)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(wèn)題,如探究拋體運(yùn)動(dòng)的最值問(wèn)題[4]。Algodoo和高中物理融合的成果越來(lái)越多,融合的研究正逐步深入。
參考文獻(xiàn):
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[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(wèn)題[J].物理教學(xué)探討,2021,39(02):46-48.
(欄目編輯? ? 劉? ?榮)
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