例談FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件在高中物理中的應用

顧媛媛 蔡 亮

(南京市第十二中學 江蘇 南京 210011)

例談FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件在高中物理中的應用

顧媛媛 蔡 亮

(南京市第十二中學 江蘇 南京 210011)

在求解中學物理極值問題和較復雜物理規(guī)律時，有時會遇到復雜的數(shù)學運算，而通過解析的方法推導出來，學生并不能得到直觀的感受．結合物理學習中的幾個實例，運用FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件為學生提供一個新的研究方法．結果表明：若能在教學中使用此軟件的數(shù)據(jù)分析和圖形處理功能，能幫助學生有效和快速地理解和掌握物理規(guī)律，能更好地培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，提高學生的科學素質．

FORTRANORIGIN7.0 高中物理

1 在力學中的應用

【例1】一根長l不可伸長的輕質細線，一端懸于O點，另一端拴著一小球，如圖1所示，將細線拉直使小球和O點位于同一水平高度A處，由靜止釋放．小球從開始運動到繩豎直的過程中，試說明小球所受重力的瞬時功率變化情況．

圖1 例1題圖

教學片斷：問題展示后，先讓同學們閱讀思考．

師：重力瞬時功率計算式是什么？

生甲：P=mgvcosθ.

師：θ表示重力和速度的夾角，初始時刻速度為多少？瞬時功率為多少？

生甲：初始時刻v=0，所以P=0.

師：很好，如果小球運動到豎直位置時，速度為多少？瞬時功率為多少？

生乙：不對，雖然速度不為零，可是速度與重力的夾角是直角，cosθ=0，所以P=0，重力的瞬時功率為零．整個過程來看，重力的瞬時功率應該是先增大后減小．

師：了不起！

筆者豎起大拇指，給予生乙贊賞的眼光，同時也對生甲給予鼓勵的掌聲．

生丙：老師，既然重力的瞬時功率應該是先增大后減小，那么最大值的位置對應在哪里呢？

一語驚醒夢中人，這種思想是多么的難能可貴啊，這種求真務實的態(tài)度是不是也值得筆者去學習啊．

師：很好，那老師就來推導給你看看．

結果學生聽的不是太明白,有點云里霧里．下課后，回到辦公室，筆者在想，如果能把瞬時功率變化的圖像展示給學生看看，不是可以幫助學生有效地理解問題和掌握物理規(guī)律嗎？

數(shù)值解：

小球從水平位置擺動到與水平方向成θ角的過程中，由機械能守恒定律，得

重力瞬時功率

令

上式變成

圖2 x-θ圖像

第二天上課，筆者把所做的過程和結果展示給學生看時，學生送給我的是熱烈的掌聲，他們心里想著，這老師還有兩把刷子啊．而筆者也感到非常欣慰，課堂上他們學習物理的激情在提升，成績在同層次班級中自然也是拔尖的．

2 在電學中的應用

在學習“恒定電流”這章時，有個非常著名的實驗叫伏安法測電阻，選用實驗器材和器材的接法一直是實驗常考的考點．在選擇滑動變阻器器材時，我告訴學生，一般情況下，滑動變阻器應該選擇阻值小、額定電流大的那個，有個學生不以為然，非問為什么這樣呢？筆者想從純粹的數(shù)學推導肯定能夠解決這個問題，但是太抽象，為何不用圖像直觀地展示給大家看呢？

筆者對大家說，給我一節(jié)課時間，下節(jié)課定會讓大家明白這其中的奧秘．

2.1 分壓接法

2.1.1 電路圖

分壓接法電路圖如圖3所示.

圖3 電路圖

2.1.2 電壓表讀數(shù)U

不計電源內阻，不考慮電表內阻的影響，當滑片P處于位置B時，有

令

上式變成

其中k反映的是待測電阻與滑動變阻器阻值之間的比值關系，x反映的是滑動變阻調節(jié)阻值的變化，范圍0～1．利用FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件可以直觀地觀察到y(tǒng)隨x變化行為，從而可以得出一些重要特征．

2.1.3y-x圖像

分壓接法y-x圖像如圖4所示.

圖4 分壓接法y-x圖像

從圖4，我們可以知道以下特點：

(1)對應不同的k值，y均可以從零變到1．

(2)k值越大，即待測電阻阻值大于滑動變阻器最大阻值，調節(jié)越均勻，成線性變化，可以看到k=10和k=100兩條線幾乎重合．

(3)k值越小，即待測電阻阻值小于滑動變阻器最大阻值，調節(jié)越不均勻，非線性變化，可以看出在x=0.6之前，y幾乎不變，但是在x=0.9，y就發(fā)生了突變．

(4)綜合上述考慮，既然調節(jié)范圍一樣，要想實驗操作易、誤差小，k值較大較好．

2.2 限流接法

2.2.1 電路圖

限流接法電路圖如圖5所示.

圖5 限流接法電路圖

2.2.2 電壓表讀數(shù)U

不計電源內阻，不考慮電表內阻的影響，當滑片P處于位置B時

分子分母同除以R得

令

上式變?yōu)?/p>

2.2.3y-x圖像

限流接法y-x圖像如圖6所示.

圖6 限流接法y-x圖像

從圖6，我們可以知道以下特點：

(1)k值大，線性變化好，但是調節(jié)范圍小，例如k=100時，y幾乎不隨x發(fā)生變化；k值小，不能均勻變化，但是調節(jié)范圍大，例如k=0.01，雖然調節(jié)范圍大，但是在x<0.1突變現(xiàn)象比較明顯，而在x>0.2，y值變化不明顯．

(2)與分壓接法不同，在限流接法中，對于不同的k取值，y并不能從零變化到1．

(3)綜合上述考慮，要想調節(jié)范圍較大，又要能夠較為線性的變化，從圖中可以看出，k=1左右較為合適．

第二次上課，筆者把兩種情況下的結果圖展示出來，并根據(jù)圖像講解了一下，分析為什么會出現(xiàn)這樣的選擇．學生心領神會，喜悅之情溢于言表，大家好才是真的好．學生對老師敬佩之余，也增強了自身

的科學素養(yǎng)，讓其認識到未來的路還很漫長，我們所接觸的知識只不過是皮毛，我們還應該更加主動地探索未知知識，為未來做好充分準備．

3 小結

FORTRAN語言和ORIGIN7.0軟件在高中物理中的應用遠遠不止這些，可以繪制物體運動規(guī)律曲線，可以進行較復雜的天體運動計算，可以處理實驗數(shù)據(jù)，可以將抽象的等勢面電場線形象的表示出來等等．所以筆者認為，在以后的物理教學中適當?shù)囊腩愃频挠嬎銠C數(shù)值模擬有助于學生提高對概念的理解和深化，可以將復雜的變化過程具體化，可以“赤裸裸”地展示給學生，可以大大提高課堂效率，激發(fā)學生的興趣，同時也有助于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，讓他們認識到科學是緊密的聯(lián)系在一起的．如果時間充裕，甚至還可以試著讓學生們自己做些簡單的編程和設計，必定對其終身發(fā)展有個不可替代的作用．

4 反思

這是筆者在教學中的一點想法，一點思考，一點展望，這些靈感全部來自于學生，如果不是他們的“咄咄逼人”，不是他們一個問題一定問出個所以然來，教師也不會把大學里學習到的編程軟件用到高中物理中來，更不會有現(xiàn)在的成績．如果在教學中我們本著更好地為學生服務的思想來準備好每一節(jié)課，就是一節(jié)好課，不在乎多么華麗的外表，也不需要太多言語的包裝，只需要課堂上教師與學生之間有思想的交流，有火花的碰撞，這已經(jīng)就足夠了啊！學生在發(fā)展，教師也要跟著發(fā)展，而且教師還必須走在學生的前頭，時刻為學生把握好方向和前進的速度．在如今科技進步如此迅速的時代，計算機語言進入高中校園已不可避免，而教師要有自己的看家本領，還需掌握一些“旁門左道”，這樣才能在學生面前站穩(wěn)腳跟，才能更好地為學生服務．教學相長源遠流長，其意義也絕不一般．

2016-08-05)