Box2D在動量守恒定律課件制作中的應(yīng)用研究

徐曉

Box2D是一個可以自動管理物體的不同狀態(tài)（碰撞、彈跳等）、模擬2D剛體物體的物理引擎，其通過創(chuàng)建各種剛體來實現(xiàn)不同效果。在中學(xué)階段，物理學(xué)科中動量守恒定律的內(nèi)容涉及物體運動、物體碰撞等狀態(tài)，教師可以通過物理引擎Box2D來進行模擬與控制。筆者利用Flash制作了中學(xué)物理動量守恒定律課件，并運用Box2D物理引擎更好地實現(xiàn)了物理過程，希望學(xué)生能夠更直觀、具體地認(rèn)識物理知識，以及深層次地理解和應(yīng)用。

● Box2D簡介

最初，Box2D是用C++語言編寫的一個開源的二維物理仿真引擎，因很受歡迎所以衍生出ActionScript3的版本。目前Box2D源文件有兩個版本——2.0.2與2.1a，2.0.2為早期版本，文檔較詳細(xì)，在2.0.2基礎(chǔ)上，2.1a做了修改，是新版本，本文介紹的是Flash版。

Box2D具有簡單、有效、實用的特點，可以設(shè)置物體的質(zhì)量、彈性、摩擦力、添加鉸鏈及彈性約束等狀態(tài)。關(guān)于物理中碰撞類、運動規(guī)律類、剛體動力等實驗物理，教師可通過Box2D構(gòu)建實現(xiàn)。

● 基于Box2D的動量守恒定律課件制作分析

1.動量守恒定律教學(xué)中的問題分析

（1）對碰撞問題的理解不透徹

中學(xué)階段的學(xué)生擁有一定的邏輯推理和科學(xué)想象能力，但實驗操作能力不成熟，雖善于觀察周邊的生活，但往往是從感性的角度總結(jié)歸納物理知識，缺乏理性的思考，容易得到一些與科學(xué)背道而馳的觀點。同時，學(xué)生對動量概念理解不透，對碰撞問題的理解比較單一，無法進行系統(tǒng)分析。從機械能損失分類來看物理中的碰撞問題，三種碰撞之間的動量守恒與否，以及動能損失情況對學(xué)生來說是難點，他們的邏輯推理、科學(xué)想象能力還有待提高。

（2）缺乏知識遷移與實際運用能力

學(xué)生在中學(xué)階段已建立良好的感性認(rèn)識，通過知識建構(gòu)，可以順利過渡到物理學(xué)習(xí)中的最近發(fā)展區(qū)。但在實際生活中，缺少物理知識的學(xué)習(xí)情境，學(xué)生在知識遷移、實際運用解決問題等方面有些薄弱。

例如，在動量守恒定律內(nèi)容上，對于子彈打木塊類問題，學(xué)生無法對某個系統(tǒng)動量守恒與否進行準(zhǔn)確判斷，在應(yīng)用動量守恒條件時感到困惑，不能順利進行遷移，并解決問題。在動量守恒定律內(nèi)容的應(yīng)用中，在人船模型問題中，速度v和質(zhì)量m，拓展到位移s、質(zhì)量m上面，這個問題的解決對大部分學(xué)生來說，相當(dāng)棘手。

2.動量守恒定律課件的功能分析

從系統(tǒng)的角度來說，在子彈打木塊類碰撞問題上，子彈、木塊與彈簧三者作為整體，子彈射入木塊到彈簧縮至最短，這個過程中固定端的墻壁對彈簧有外力作用，因此動量不守恒;子彈射入木塊過程中存在摩擦，有部分能量轉(zhuǎn)為內(nèi)能，因此機械能不守恒。若分階段來分析，子彈射入木塊的一瞬間，子彈與木塊二者為一個系統(tǒng)，則認(rèn)為動量守恒;子彈射入木塊中間的壓縮過程，機械能守恒，動量不守恒。通過對階段進行分析，得出一定的物理規(guī)律。在物理學(xué)習(xí)中，對問題分析劃分、過程選取，需要進行二次判斷從而正確進行分析。

● 動量守恒定律課件的實現(xiàn)設(shè)計

1.碰撞管理

在碰撞中，發(fā)生碰撞的兩個物體在碰撞前后的區(qū)域是不限定的，這樣的情況下，物體的初始和碰后移動的區(qū)域就發(fā)生了變化，而畫面的極速跳轉(zhuǎn)不利于學(xué)生觀察動畫，影響其思維轉(zhuǎn)換。在基于Box2D的動量守恒定律課件中，利用Box2D的Box2D.Collision（碰撞、監(jiān)測類）中的b2AABB坐標(biāo)類來實現(xiàn)區(qū)域的限定，對碰撞進行管理，可使碰撞的效果更佳。

在這個限定區(qū)域兩個物體發(fā)生碰撞，通過這種設(shè)置使得物體的碰撞前后的位移能夠得到精確的計算，在分析碰撞后的動量是否守恒、動能是否有損失、有多大損失方面進行探討，通過分析，學(xué)生對彈性、非彈性以及完全非彈性碰撞三類問題進一步加深理解。

2.碰撞檢測

通過對一般動量守恒定律課件的分析，在兩個物體碰撞時并沒有進行碰撞檢測和管理，這樣物體經(jīng)常被卡住不能前進或者穿越了障礙。在動量守恒定律課件制作中，Box2D物理引擎的碰撞檢測要求為：在一般場景內(nèi)，物體可以平行移動;遇到臺階（一定高度內(nèi)），可自動上去，若臺階過高，則需要把人擋住;遇到斜坡（斜率較小），可順利上去，否則把物體擋住。需要注意的是，當(dāng)被擋住前進方向時，應(yīng)盡量讓人物沿合理方向下滑，不能被迫停住。整個過程需要做到穩(wěn)定、精確，防止物體因為特殊情況，穿出或掉出場景。在Box2D物理引擎中，通過Box2D.Dynamics（動態(tài)類）中的b2ContactListener（用來獲取碰撞結(jié)果類）來完成，代碼中，首先需要寫一個繼承自b2ContactListener的類（如圖1）。

3.碰撞實現(xiàn)

基于Box2D實現(xiàn)動量守恒定律課件的功能設(shè)計分析，為Box2d的b2World對象加入listener（代碼如圖2），來實現(xiàn)碰撞。最后，對myListener的isWin和isLost屬性進行判斷即可。

將Box2D物理引擎引入物理實驗的設(shè)計活動中，可簡單、高效地進行物理實驗教學(xué)課件的開發(fā)，使得物理實驗效果更加真實。同時，這種方法可在其他多媒體課件中應(yīng)用。

● 研究總結(jié)

基于Box2D實現(xiàn)模擬物理實驗，如游弋在一個與現(xiàn)實世界截然不同且又能很好地理解的物理世界，Box2D在動量守恒定律課件制作中的應(yīng)用研究，就是人們對物理引擎在物理課件中應(yīng)用的不斷深入認(rèn)知與創(chuàng)新。筆者也相信，目前物理引擎應(yīng)用于物理學(xué)課件中的方法會被更好的方法取代。