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        用GeoGebra制作衛(wèi)星運(yùn)動的3D動畫

        2021-05-14 08:28:30謝恩東李新民
        物理通報(bào) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:球面繪圖指令

        謝恩東 李新民

        (安徽省安慶市第一中學(xué) 安徽 安慶 246003)

        在“萬有引力定律”教學(xué)中,經(jīng)常會給學(xué)生描述各種衛(wèi)星的軌道,筆者在教學(xué)中常會感覺不能直觀形象地講授衛(wèi)星軌道的特點(diǎn),為此利用動態(tài)幾何畫板GeoGebra制作衛(wèi)星運(yùn)動的動畫,GeoGebra的3D繪圖功能可以全方位顯示衛(wèi)星的軌道,利用GeoGebra的函數(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星的圓周運(yùn)動,在教學(xué)中取得了很好的效果.下面介紹一下衛(wèi)星動畫制作的要點(diǎn).

        1 打開繪圖區(qū)和3D繪圖區(qū)

        繪圖區(qū)插入滑動條、復(fù)選框和按鈕等,3D繪圖區(qū)可以建立地球、衛(wèi)星和軌道等3D模型.

        2 插入時(shí)間變量t

        在繪圖區(qū)中插入滑動條t用作時(shí)間變量,變化范圍可以是0~62.8(取62.8主要是考慮接近π的整數(shù)倍,方便實(shí)現(xiàn)動畫的連續(xù)性),滑動條t的重復(fù)屬性可以設(shè)置為“遞增”.

        3 建立地球模型

        (1)構(gòu)造球面.在指令欄中輸入:球面(O,1.99),建立一個(gè)半徑為1.99的球面作為地球,并設(shè)置相關(guān)屬性.球面與x軸的交點(diǎn)定義為A,B,與z軸交點(diǎn)定義為C,D.

        (2)構(gòu)造地球的陰影以實(shí)現(xiàn)白天、黑夜的光照效果.構(gòu)造過C,A,D的半圓弧c[可以在指令欄輸入:外接圓弧(C,A,D)],繞x軸旋轉(zhuǎn)半圓弧c以實(shí)現(xiàn)半球面陰影[指令欄輸入:曲面(c, 2π,x軸)].

        (3)實(shí)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)的效果.在3D繪圖區(qū)構(gòu)造點(diǎn)E[2cos(0.2t), 2sin(0.2t), 0],構(gòu)造過A,E,D3點(diǎn)圓周e,由于點(diǎn)E是一個(gè)隨時(shí)間t動態(tài)變化的點(diǎn),因此圓周e也就是一條可旋轉(zhuǎn)的經(jīng)線.將E繞z軸旋轉(zhuǎn)45°構(gòu)造點(diǎn)E1,構(gòu)造過A,E1,D3點(diǎn)圓周e1以形成第2條可旋轉(zhuǎn)的經(jīng)線,以此類推直到布滿球面.同樣還可以構(gòu)造幾條緯度線,由于緯線不要旋轉(zhuǎn),制作比較簡單,布滿地球即可.隱藏不必要的對象,并設(shè)置相關(guān)屬性后3D效果圖如圖1所示.

        圖1 地球模型3D效果圖

        4 構(gòu)造衛(wèi)星的動畫和軌道

        構(gòu)造衛(wèi)星的動畫和軌道如圖2所示.

        圖2 構(gòu)造衛(wèi)星的動畫和軌道

        (1)同步衛(wèi)星. 在3D繪圖區(qū)構(gòu)造點(diǎn)F[13.3 cos(0.2t),13.3sin(0.2t), 0],F(xiàn)表示同步衛(wèi)星,構(gòu)造一個(gè)以z軸為軸、OF為半徑的圓周f,圓周f可表示同步軌道.

        (2)極地衛(wèi)星.在3D繪圖區(qū)構(gòu)造點(diǎn)G[0, 5.3sin(0.8t), 5.3cos(0.8t)],G表示極地衛(wèi)星(衛(wèi)星的半徑與周期應(yīng)滿足開普勒第三定律以達(dá)到真實(shí)的效果),構(gòu)造一個(gè)以x軸為軸、OG為半徑的圓周g,圓周g可表示極地衛(wèi)星軌道.

        (3)旋轉(zhuǎn)衛(wèi)星和軌道.旋轉(zhuǎn)(f, 45°,x軸)可以實(shí)現(xiàn)同步軌道偏轉(zhuǎn)45°的衛(wèi)星軌道,此軌道上的衛(wèi)星可通過旋轉(zhuǎn)(F, 45°,x軸)來實(shí)現(xiàn).

        (4)任意衛(wèi)星.通過以上制作衛(wèi)星和軌道的方法再結(jié)合旋轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)任意衛(wèi)星的動畫和軌道.

        5 美化界面

        (1)在繪圖區(qū)插入一些復(fù)選框以顯示或隱藏衛(wèi)星與軌道.

        (2)在指令欄輸入:dh=false,構(gòu)建一個(gè)布爾值以方便動畫的控制.

        (3)在繪圖區(qū)插入按鈕“復(fù)位”,其腳本區(qū)輸入:t=0,插入按鈕“動畫”,其腳本區(qū)輸入:賦值(dh,!dh) 啟動動畫(t,dh).

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