仿真物理實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

本文將介紹如何借助仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件研究從地球上發(fā)射物體所需的三種宇宙速度。

構(gòu)建模擬場(chǎng)景并設(shè)定對(duì)象基本參數(shù)

打開仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件，新建工作區(qū)場(chǎng)景，然后放置模擬的地球?qū)ο蠛桶l(fā)射物體對(duì)象，并進(jìn)行基本參數(shù)的調(diào)整，構(gòu)建模擬場(chǎng)景。

1.選擇“文件”菜單中的“新建”選項(xiàng)，單擊工作區(qū)域中合適位置。研究宇宙空間需要較大的尺度，在彈出的“坐標(biāo)比例設(shè)置”對(duì)話框中設(shè)置坐標(biāo)比例為1.1e＋7。

2.選擇“創(chuàng)建”浮動(dòng)面板中的“球體運(yùn)動(dòng)對(duì)象”，然后在工作區(qū)域中的（0，0）坐標(biāo)處單擊鼠標(biāo)放置一球體對(duì)象作為地球。設(shè)置它的質(zhì)量參數(shù)為6E24千克，半徑參數(shù)為3 300 000米，在“運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框中單擊“使用貼圖”，瀏覽并為創(chuàng)建的地球物體加載一個(gè)圖片，在彈出的窗口中進(jìn)行的設(shè)置如圖1所示。

3.再次選擇“創(chuàng)建”浮動(dòng)面板中的“球體運(yùn)動(dòng)對(duì)象”，在地球?qū)ο笳戏絾螕羰髽?biāo)放置一球體對(duì)象作為發(fā)射物體。在“運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框中設(shè)置它的質(zhì)量參數(shù)為1千克，半徑參數(shù)為700 000米（演示時(shí)可以看清楚，也不會(huì)影響數(shù)據(jù)的正確性），然后根據(jù)地球?qū)ο蟮馁N圖大小設(shè)置發(fā)射物體的初位移x=0 y=7 500 000米。

4.選擇“編輯”菜單中的“放置底圖”選項(xiàng)為場(chǎng)景設(shè)置一個(gè)星空的背景圖案，使虛擬的環(huán)境更顯真實(shí)。

5.選擇“編輯”菜單中的“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”選項(xiàng)，在“功能設(shè)置區(qū)域”選擇“考慮運(yùn)動(dòng)對(duì)象間萬有引力”項(xiàng)，指定運(yùn)動(dòng)對(duì)象間的作用力性質(zhì)，“最小掃描時(shí)間”設(shè)置為1秒，如圖2所示。

交互及其參數(shù)設(shè)定

場(chǎng)景構(gòu)建完成之后，需要設(shè)置交互演示和控制的參數(shù)。這里我們通過兩個(gè)輔助點(diǎn)間距離的變化來實(shí)時(shí)控制發(fā)射物體的初速度。

1.右鍵單擊場(chǎng)景中發(fā)射物體球體，在快捷菜單中選擇“屬性”，然后在出現(xiàn)的“運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框中單擊“為參數(shù)定義變量”按鈕，在速度分量區(qū)域的“速度Vx分量”欄中輸入Vx，發(fā)射物體的水平速度被定義為變量Vx，最后確定退出。

2.選擇“創(chuàng)建”浮動(dòng)面板中的“輔助點(diǎn)”選項(xiàng)在工作區(qū)域的右上方創(chuàng)建一個(gè)輔助點(diǎn)，參數(shù)使用系統(tǒng)默認(rèn)。再次創(chuàng)建一個(gè)輔助點(diǎn)，在出現(xiàn)的“輔助點(diǎn)設(shè)置”對(duì)話框中將矢量比例的數(shù)值設(shè)置得稍大一些，比如500 000，然后確定退出。

3.選擇“度量”菜單中的“距離”選項(xiàng)，根據(jù)系統(tǒng)提示先后點(diǎn)擊創(chuàng)建的兩個(gè)輔助點(diǎn)，在出現(xiàn)的“度量距離設(shè)置”對(duì)話框中定義變量名稱為distance，如圖3所示。

4.選擇“程序”菜單中的“程序編輯器”，在彈出的對(duì)話框中輸入如下程序控制代碼（t為系統(tǒng)自定義的時(shí)間變量）：

判斷1:如果(t=0)則執(zhí)行

Vx=distance/1000

結(jié)束判斷1

實(shí)驗(yàn)過程的控制與程序調(diào)試

現(xiàn)在，我們就可以運(yùn)行實(shí)驗(yàn)了。拖動(dòng)輔助點(diǎn)可以改變發(fā)射物體的水平初速度，發(fā)射物體的速度會(huì)顯示在工作區(qū)域的左上方。但還存在一個(gè)問題：當(dāng)初速度小于7900米/秒時(shí)，炮彈會(huì)落進(jìn)地球?qū)ο笾校藭r(shí)發(fā)射物體與地球表面的距離會(huì)小于地球的半徑。我們應(yīng)該在炮彈落進(jìn)地球時(shí)，暫停該模擬實(shí)驗(yàn)。下面我們來解決這個(gè)問題。

1.打開發(fā)射物體的“運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框，單擊為“參數(shù)定義變量”按鈕，在位移變量區(qū)域中分別在“位移x分量”欄和“位移y分量”欄中輸入Sx和Sy，發(fā)射物體的位移坐標(biāo)值分別被定義為變量Sx和Sy。

2.選擇“程序”菜單中的“程序編輯器”選項(xiàng)，在程序編輯器中接著輸入如下程序控制代碼（3 300 000為地球?qū)ο蟮陌霃絽?shù)）：

判斷2:如果(sqrt(Sx*Sx+Sy*Sy)<3300000)則執(zhí)行

暫停

結(jié)束判斷2

3.現(xiàn)在我們可以通過拖動(dòng)輔助點(diǎn)的方式改變輔助點(diǎn)間的距離，從而間接控制發(fā)射物體的發(fā)射初速度。計(jì)算機(jī)通過該仿真軟件內(nèi)置的物理計(jì)算公式，自動(dòng)計(jì)算發(fā)射物體的環(huán)繞軌道，并且可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度。發(fā)射物體初速度的不同，可以直觀地從運(yùn)動(dòng)軌跡上反映出來。最后，可以給模擬場(chǎng)景增加一些文字或者按鈕進(jìn)行注釋。如圖4所示。

在制作人造衛(wèi)星、地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)之類的模擬場(chǎng)景時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)比例是關(guān)鍵，同時(shí)還要注意選擇恰當(dāng)?shù)摹皩?shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間”。

結(jié)束語

在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，我們除了可以實(shí)時(shí)演示模擬實(shí)驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)外，還可以通過該軟件的輸出動(dòng)畫功能將模擬實(shí)驗(yàn)以AVI動(dòng)畫或者GIF圖片的形式導(dǎo)出，從而克服了跨平臺(tái)使用的鴻溝，大大方便了和其他多媒體課件制作工具的融合。

（仿真物理實(shí)驗(yàn)室v5.0試用版的下載地址為：http://www.eedduu.com/）

（作者單位：華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系 200062）

觀后感：

以前嘗試用Authorware、Flash做課件，但在制作物體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)這一類課件時(shí)要計(jì)算一大堆的數(shù)據(jù)，并且還要使用很多自己并不熟悉的腳本函數(shù)來編寫程序，常感到有點(diǎn)吃力甚至放棄。看了這篇文章就不用再犯愁了，因?yàn)橛辛朔抡嫖锢韺?shí)驗(yàn)室軟件。本文通過一實(shí)例，簡(jiǎn)單扼要地說明了利用仿真物理實(shí)驗(yàn)室軟件制作課件的步驟，讓課件制作愛好者一看就明白制作課件的流程，很容易上手。通過鼠標(biāo)點(diǎn)幾下，一個(gè)復(fù)雜的課件就輕而易舉地做成了。

（江蘇省金湖縣第二中學(xué) 黃開宏）