應用Algodoo仿真物理實驗輔助高中物理規律教學

常曉慧 侯 恕

(東北師范大學物理學院 吉林 長春 130024)

應用Algodoo仿真物理實驗輔助高中物理規律教學

常曉慧 侯 恕

(東北師范大學物理學院 吉林 長春 130024)

以“開普勒三定律”、“簡諧運動”、“動量守恒定律”為例，示范如何應用Algodoo仿真物理實驗驗證物理規律.最后對Algodoo仿真實驗在高中物理規律教學中的應用前景進行分析.

Algodoo 仿真物理實驗 高中物理規律教學

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的仿真實驗平臺[1]，應用Algodoo模擬物理情境和顯示圖像功能進行仿真物理實驗,具有操作簡便、形象直觀、可進行理想化實驗、實驗生成數據圖表快速準確等優點.利用Algodoo可以模擬重力、摩擦力、引力等物理環境，可以創建任意形狀的二維物體(有一定的厚度)，并設置物體的材質和運動狀態.由于不受真實環境中不可控因素的影響，Algodoo可以提供理想化的物理條件，例如無摩擦、無空氣阻力的理想物理環境.不僅如此，利用Algodoo還可以模擬天體運動，例如行星的公轉運動、雙星運動等.Algodoo具有實時輸出物體運動過程中顯示圖像的功能，在課堂上經仿真實驗可以直接得到物體各種狀態參量之間關系的圖像，師生通過共同分析顯示圖像得到物理規律.物理規律的建立離不開實驗的輔助，在高中物理規律教學時，應用Algodoo仿真物理實驗可以有效幫助學生提升探究物理規律的興趣，建立物理過程、物理圖像與物理規律之間的聯系，認識物理規律的本質.本文以“開普勒三定律”、“簡諧運動”、“動量守恒定律”為例，示范如何應用Algodoo仿真物理實驗驗證物理規律.最后對Algodoo仿真實驗在高中物理規律教學中的應用前景進行分析.

1 應用Algodoo驗證物理規律

1.1 驗證開普勒三定律

1.1.1 行星運動的模擬

打開Algodoo軟件，新建場景，選擇圓形工具，

繪制一個大圓形、一個小圓形，設置材質參數，大圓形的質量約為1.95 kg，小圓形的質量約為0.039 kg，設置兩個圓形之間的引力為0.1 N·m2/kg2，將小圓形以0.5 m/s的速度發射入軌道，在小圓形上設置循跡追蹤繪圖，如圖1所示，模擬行星的公轉運動.

圖1 模擬行星公轉場景

1.1.2 開普勒第一定律的驗證

圖2 模擬行星的運行軌跡圖

1.1.3 開普勒第二定律的驗證

圖3 速度-時間圖像和引力勢能-時間圖像

1.1.4 開普勒第三定律的驗證

由圖3中速度-時間圖像，讀出行星公轉周期T=10.60 s，由圖2行星的運動軌跡可知，半長軸a=1.032 m，增大小圓形的環繞半徑，繪制新的運行軌跡圖像和速度-時間圖像，讀取數據，半長軸a′=1.291 5 m，周期T′=14.80 s，經計算

驗證開普勒第三定律，所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比值都相等.

1.2 驗證簡諧運動規律

1.2.1 模擬簡諧運動

新建場景，選擇方框工具，繪制長方框，選擇固定連接點，固定長方框的兩端，選擇圓形工具，在長方框的下面繪制圓形，設置圓形的材質、密度參數，選擇彈簧工具，連接長方框和圓形，設置彈簧的勁度系數、阻尼等參數，開啟重力，關閉空氣阻力，與彈簧一端相連的小圓形做簡諧運動.

1.2.2 簡諧運動的圖像

繪制顯示圖表，將x坐標設置為時間，y坐標設置為小圓形位置坐標的縱坐標，圖像顯示的即為小圓形做簡諧運動的振動圖像，如圖4所示.通過讀取坐標數據，可以知道做簡諧運動的物體的振動圖像為正弦函數圖像，從圖表還可以讀出振幅、周期等描述簡諧運動的物理量.

圖4 簡諧振動圖像

1.3 動量守恒定律

新建場景，選擇方框工具，繪制兩個方形，設置方形物體的材質、質量和速度，顯示它們的速度-時間圖像，根據兩物體碰撞前后的圖像，得到碰撞前后的速度，通過計算可以知道，兩個方形物體的碰撞前后質量與速度乘積的和是一個不變量，驗證動量守恒定律.

2 Algodoo應用于物理規律教學的前景分析

2.1 Algodoo仿真實驗相比于真實實驗的優勢

Algodoo仿真實驗形象直觀，操作簡便，不受實驗條件和實驗環境的影響，對于現實環境無法實現的理想環境，Algodoo也可以進行模擬仿真.例如，行星運動的開普勒三定律，現實生活中無法進行實驗驗證，利用仿真實驗進行模擬，可以增加學生對天體運動的感性認識，有效提升學生對開普勒三定律的深刻理解.例如，學生通過實驗觀察，獲得“離恒星越遠，行星運轉速度越慢，轉動速度也越慢”的感官體驗，隨即自然得到“隨著公轉半徑R的增大，線速度、角速度減小，周期增大”的定性結論.同時，Algodoo仿真實驗涉及的領域十分廣泛，力學中關于運動、能量等規律，光學中關于光的反射、折射等規律都可以進行仿真模擬.

2.2 發掘圖像輔助教學功能

Algodoo仿真實驗可以將物體運動過程中的各個參量(包括時間、位移、速度、角速度、加速度、力、動能、勢能等)之間的關系圖像進行實時輸出，學生通過對應物體的運動情況與輸出圖像，可以建立物理過程與物理圖像的聯系，深刻認識物理圖像的意義.教學過程中，可以請學生自行選擇圖像的橫縱坐標，然后繪制圖像(定性地繪制草圖)，最后應用Algodoo顯示圖表繪制圖像，驗證學生手繪圖像的正確性，幫助學生提升應用圖像表征物理過程的能力.學生建立起圖像與物理過程的關系之后，接下來就是教會學生如何應用圖像得到物理規律.首先要引導學生從圖像中提取關鍵信息，包括圖像的極大值點、極小值點、斜率、交點坐標、周期等，然后將得到的數據進行分析、處理，總結得到物理規律.通過分析圖像得到物理規律，不僅能使學生更加深刻地理解物理規律的涵義，同時可以有效提升學生的讀圖能力.圖像作為物理學習的重要工具，分析應用圖像的能力是學好物理的必備能力，利用Algodoo平臺，發掘物理圖像演繹物理過程和驗證物理規律的功能，不僅可以促進高中物理規律教學，而且可以有效提升學生分析應用圖像的能力.

2.3 豐富教學形式

應用Algodoo不僅可以帶領學生在課堂上進行探究，得到物理規律，而且可以將探究活動延伸到課堂外面，豐富教學形式.例如，利用Algodoo進行翻轉課堂的嘗試，給學生布置任務，課下利用Algodoo自行創建場景，并利用Algodoo場景分享功能對設計的實驗進行討論，然后課上，教師帶領學生進一步深化知識學習.也可以課上應用Algodoo仿真實驗學習了知識后，課下讓學生對課上實驗做出自己的改進，或者設計更好的方法，進行自主探究，并分享交流.嘗試讓學生將典型習題中的場景進行模擬，探究其中的物理規律，提高習題教學的趣味性.除了學習課上的知識，還可以讓學生在課外對原始問題進行研究，例如應用Algodoo模擬彩虹的形成，探究原始問題背后的物理規律.這種充滿趣味性的游戲學習可以提升學生學習物理的興趣，強化學生的實驗能力，發展學生的創造力.

1 王清.利用Algodoo軟件判求理想化的物理運動規律.物理教師,2015,36(1):66～67

AssistingSeniorHighSchoolPhysicsLawTeachingUsingAlgodootoDoSimulationPhysicsExperiment

ChangXiaohuiHouShu

(Schoolofphysics,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

In this paper,“Kepler′s three law”, “simple harmonic motion”, “conservation of momentum” as an example to demonstrate how to use Algodoo simulation physical experiments to verify the laws of Physics.Finally, the application prospect of Algodoo simulation experiment in physics teaching in senior high school is analyzed.

Algodoo; simulation physics experiment; physics law teaching in high school

常曉慧(1992- )，女，在讀碩士，研究方向為物理課程與教學論.

指導教師：侯恕(1965- )，女，副教授，主要研究方向為物理課程與教學論.

2016-12-21)