摘? ?要：力是物理學(xué)的核心概念，Algodoo 軟件的“可視化力”功能能讓我們直觀地觀察到物體的受力情況及其變化，為物理教學(xué)的直觀化提供了輔助。在講解靜力學(xué)時(shí)，涉及到彈力、摩擦力和共點(diǎn)力的合成問題時(shí)，可以借助“可視化力”功能創(chuàng)設(shè)情境來研究問題;在與力相關(guān)的習(xí)題教學(xué)中，可以用“可視化力”功能來模擬情境，既能顯示物體的受力情況，還能顯示其運(yùn)動(dòng)情境;在破解一些教學(xué)難點(diǎn)時(shí)，“可視化力”功能會(huì)助一臂之力，如靜摩擦力的凸凹齒合說等。我們建議，教師要熟悉Algodoo 軟件的功能、特點(diǎn)和使用方法，在教學(xué)中根據(jù)需要制作能解決實(shí)際問題的優(yōu)秀課件，提高教學(xué)效益。

關(guān)鍵詞：軟件工具;Algodoo;信息技術(shù);可視化力;靜摩擦力

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）5-0049-3

力是物理學(xué)的核心概念，在中學(xué)階段，我們可以用彈簧秤測量力，用力傳感器研究變化的力的特點(diǎn)。物體之間的摩擦力和彈力的直接測量是有困難的，在教學(xué)中我們采用平衡條件或者牛頓定律間接推理出這些力。如何才能直觀地觀察到這些力及其變化呢？隨著信息技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)秀軟件不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了一些能直觀顯示力的軟件。這些軟件能把物理情境中物體之間的力直觀地顯示出來，本文稱之為“可視化力”，Algodoo 軟件就很好地解決了這一問題。

1? ? 用Algodoo 實(shí)現(xiàn)對(duì)象“可視化力”的基本方法

在Algodoo 的操作界面上，任意創(chuàng)建一個(gè)物體或者多個(gè)關(guān)聯(lián)物體，然后，點(diǎn)擊“可視化”工具（位于界面右上角），勾選“可視化力”，各個(gè)物體受到的力就顯現(xiàn)出來了，如圖1所示。圖1中的情境是水平面上的桿斜靠在物塊上，物塊受到的力顯示為重力、彈力。其中，物塊彈力被細(xì)分為左右兩個(gè)，分別繪制在與地面接觸的兩個(gè)角上，便于研究物體的轉(zhuǎn)動(dòng)問題。放大視圖后，又顯示出桿對(duì)物塊的壓力N和摩擦力T，桿也受到重力、兩個(gè)彈力和一個(gè)摩擦力的作用。

在Algodoo軟件中還能顯示空氣摩擦力、引力、空氣浮力、外部施力、扭矩等13項(xiàng)，如圖2所示，有的物理量在大學(xué)物理中才能學(xué)到。

如何避免同一接觸面的彈力顯示為兩個(gè)呢？如果點(diǎn)面接觸或者點(diǎn)點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)處顯示的彈力就是一個(gè)了，這比較符合中學(xué)物理的學(xué)習(xí)習(xí)慣，避免受力圖過于繁雜。對(duì)于不需要研究的力，可以不勾選。比如，一個(gè)球和一個(gè)平面的接觸就屬于點(diǎn)面接觸，接觸點(diǎn)顯示的彈力就是一個(gè)力。軟件會(huì)顯示很多物體的受力，如何去掉不需要研究的物體的受力呢？解決的辦法是在不需要顯示力的物體上創(chuàng)建一個(gè)“固定連接點(diǎn)”（本文稱之為“釘子”工具），被 “釘子”固定的物體不再顯示其受力。

2? ? “可視化力”在物理教學(xué)中的應(yīng)用

如何在教學(xué)中創(chuàng)建和應(yīng)用“可視化力”呢？在新課教學(xué)和習(xí)題教學(xué)中均可以嘗試使用。下面結(jié)合幾個(gè)案例來說明。

2.1? ? 彈力和動(dòng)態(tài)分析

首先，創(chuàng)建一個(gè)矩形物體，再創(chuàng)建一個(gè)圓形物體，用圓形物體來切割矩形物體，獲得一個(gè)槽。這里使用的是快捷菜單“構(gòu)建固體幾何—切割”來實(shí)現(xiàn)。再創(chuàng)建兩個(gè)球形物體，把它們放于槽內(nèi)，設(shè)置兩個(gè)球的摩擦系數(shù)為零。在槽和下面的球上各打一個(gè)“釘子”，勾選“可視化力”后，顯示出如圖3的情境（局部）。

從圖3可以看出，在上面的球上顯示了共點(diǎn)的三個(gè)力，包括重力、槽面施加的彈力和另一個(gè)球施加的彈力，這適用于三個(gè)共點(diǎn)力平衡問題的研究。點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕和移動(dòng)工具，移動(dòng)下面的球，上面的球因被推而隨之運(yùn)動(dòng)，其受到的彈力隨之變化，這適用于動(dòng)態(tài)受力分析問題的研究。

2.2? ? 運(yùn)動(dòng)過程的受力

下面以一道板塊運(yùn)動(dòng)的典型習(xí)題為例，介紹如何創(chuàng)設(shè)情境并顯示力，從而為問題的解決帶來便利。

【題例】 如圖4所示，物塊A的質(zhì)量m1=2 kg，物塊A靜止在光滑水平面上的木板B上，木板B的質(zhì)量m2=1 kg、長度L=1 m。某時(shí)刻物塊A以v0=4 m/s的初速度滑上木板B的上表面，在物塊A滑上木板B的同時(shí)，給木板B施加一個(gè)水平向右的拉力F。若A與B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.2，忽略物塊A的大小，g=10 m/s2，要使物塊A不從木塊B右側(cè)滑落，求拉力F應(yīng)滿足的條件。

新建一個(gè)Algodoo文件，設(shè)置水平面的摩擦系數(shù)為零。打開“顯示網(wǎng)格”，創(chuàng)建一個(gè)長1 m的長方形物塊，設(shè)置其質(zhì)量為1 kg，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2。在長方形物塊左上角創(chuàng)建一個(gè)小物塊，設(shè)置其質(zhì)量為2 kg，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2。然后，設(shè)置物塊的初速度（x方向）為4 m/s。如何添加拉力F呢？需要用到“推進(jìn)器”工具。在長方形物塊前部創(chuàng)建一推進(jìn)器，尾部向后，相當(dāng)于向后噴氣，獲得相反方向的推力，設(shè)置其推力為2 N。在“可視化”菜單里，勾選摩擦力和推進(jìn)器力，運(yùn)行軟件，物體開始運(yùn)動(dòng)，并顯示出物體摩擦力和推進(jìn)器的推力，在它們共速后摩擦力發(fā)生了突變，軟件均能顯示，如圖5所示。

用“可視化力”制作的課件應(yīng)用到習(xí)題教學(xué)中，會(huì)使抽象的習(xí)題情境變得直觀，有利于教學(xué)難點(diǎn)的突破，這為平時(shí)的教學(xué)帶來輔助，對(duì)滿足教學(xué)的個(gè)性化需求提供便利。

2.3? ? 靜摩擦力的微觀解釋

摩擦力和靜摩擦力的本質(zhì)是什么，目前尚無定論，存在幾種學(xué)說，比如粘附說、凸凹齒合說等。靜摩擦力為何會(huì)隨水平外力的增大而增大？學(xué)生難以想象，存在思維盲區(qū)，我們可以借助Algodoo 軟件來給學(xué)生帶來一個(gè)直觀的情境。這里我們以凸凹齒合說的動(dòng)畫為例來說明，如圖6所示。

下面介紹具體的制作方法。在新建的Algodoo文件里，創(chuàng)建一個(gè)大的長方形物塊，再創(chuàng)建一個(gè)小的長方形物塊。然后放大視圖，用“橡皮擦”工具對(duì)小物塊的下表面和大物塊的上表面進(jìn)行切削，使其表面凹凸不平，去除切下的“碎屑”，把小物塊放在大物塊的上方。

按下啟動(dòng)按鈕，兩物塊的粗糙面在重力作用下靠近，由于接觸面是參差不齊的，因此大多數(shù)齒是分離的，接觸的齒中，有的接觸面是傾斜的，個(gè)別接觸面是水平的。

設(shè)置兩物塊的摩擦系數(shù)為零，只考慮齒面之間的彈力。在小物塊中間安放推進(jìn)器（設(shè)置推進(jìn)器的啟動(dòng)鍵為r），在大物塊上面打“釘子”，不顯示下面物塊的受力，然后開啟“可視化力”，只勾選彈力，如圖7所示?？梢钥吹?，大物塊的齒對(duì)小物塊的彈力的方向各異，有向上的、斜向右的、斜向左的。按動(dòng)鍵盤r鍵，啟動(dòng)推進(jìn)器，各力的大小和方向開始變化。增大推進(jìn)器的推力，齒之間的彈力也開始變化，可以發(fā)現(xiàn)彈力的水平力分量增大，彈力的水平力分量的合力就是宏觀上的靜摩擦力，這就能解釋靜摩擦力隨水平外力的增大而增大的原因。繼續(xù)增大推力，小物塊會(huì)運(yùn)動(dòng)起來，靜摩擦力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦力。

Algodoo“可視化力”功能為物理力學(xué)教學(xué)的直觀化提供了輔助。在講解靜力學(xué)時(shí)，涉及到彈力、摩擦力和共點(diǎn)力的合成問題時(shí)，可以借助“可視化力”功能創(chuàng)設(shè)情境來研究問題;在與力相關(guān)的習(xí)題教學(xué)中，可以用“可視化力”功能來模擬情境，既能顯示其受力情況，還能顯示其運(yùn)動(dòng)情境，在運(yùn)動(dòng)情境的演示過程中，還可以更換參考系;在破解一些教學(xué)難點(diǎn)時(shí)，“可視化力”功能會(huì)助一臂之力，如靜力學(xué)的動(dòng)態(tài)分析問題、靜摩擦力的變化特點(diǎn)等。我們建議，教師要熟悉Algodoo 軟件的功能、特點(diǎn)和使用方法，在教學(xué)中根據(jù)需要制作能解決實(shí)際問題的優(yōu)秀課件來，提高教學(xué)效益。希望 Algodoo 能夠成為受我國中學(xué)物理教師歡迎的教學(xué)工具軟件。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬永海，張曉爽.軟件工具與高中物理教學(xué)深度融合的探索[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（05）：83-85.

[2]喬永海.用GeoGebra繪制定質(zhì)量理想氣體的三維圖像[J].物理教學(xué)探討，2020，38（08）：48-50.

（欄目編輯? ? 王柏廬）