Algodoo軟件的推進器在創設互動式運動情境中的應用*

喬永海

(惠州市實驗中學 廣東 惠州 516008)

情境的創設對課堂教學具有引領作用，也是考試評價的載體.運動和相互作用在高中物理知識體系中處于核心地位.運動和相互作用在運動的合成、電學、航天等領域都有重要應用，由于高中實驗條件的限制，有的實驗目前尚無條件實施.Algodoo軟件能夠仿真模擬很多運動，用好該軟件的“推進器”工具，能夠創設十分豐富的運動情境，在新課講授、習題講解、科學探究等方面有重要用途[1].下面先介紹Algodoo軟件的“推進器”工具，然后介紹應用推進器創設運動情境的案例.

1 Algodoo軟件的“推進器”工具簡介

Algodoo軟件的推進器是對物體施加持續推力的工具，可以放置于物體上作為施力工具.推進器可以設定的物理量有推力的大小、方向.在推進器的屬性框(圖1)內，可以手動修改力的大小.復選框“推進器跟隨幾何體旋轉”，默認是勾選，如果勾選該項，物體轉動時，推進器會隨之轉動，可以實現物體的轉動；如果不勾選該項，推進器的施力方向不變.屬性框啟動鍵右邊是熱區，點擊熱區，然后按動鍵盤的某一鍵，比如“r”鍵，運行時，持續按下“r”鍵，推進器施力，松開后不施力.如果勾選“切換”復選框，“r”鍵就成了推進器啟動、關閉的切換鍵.本文課件創建的推進器屬性中均勾選“切換”復選框，下文不再贅述.

圖1 推進器設置

2 用“推進器”工具創建物理情境的案例

有了推進器工具，就可以對物體施力，從而使物體產生相應的運動，對動力學問題情境的創建和研究有輔助作用，相當于一個虛擬實驗室.

2.1 力對物體速度的改變

力對速度的改變可以從兩個方面考慮，力和速度共線時，力只改變速度的大小.具體可以分為兩類，力和速度同向時，物體速度增加，力和速度反向時，物體速度減小.如果力和速度垂直，該力只改變速度的方向，不改變速度的大小，以上運動情境的創建過程如下.

(a)力和初速度同向

(b)力和初速度反向

(c)力和初速度方向成鈍角

(d)力和初速度方向成銳角

2.2 雙質點在斜面上的運動

在平時的習題教學中，會遇到新穎的運動情境，我們難以找到現成的模擬課件仿真這些情境，教師掌握幾種制作模擬情境軟件的技能顯得十分必要.下面以2021年1月的“8省聯考”廣東卷的壓軸題為例說明.

【題例】(2021屆8省聯考廣東卷壓軸題)如圖3所示，固定的粗糙斜面，傾角θ=30°，斜面底端O處固定一個垂直斜面的彈性擋板.在斜面上P和Q兩點有材質相同、質量均為m的滑塊A和B，A和B恰好能靜止，且均可視為質點，Q到O的距離是L，Q到P的距離是kL(k>0).現始終給A施加一個大小為F=mg、方向沿斜面向下的力，A開始運動，g為重力加速度.設A與B之間以及B與擋板之間的碰撞時間極短，且無機械能損失，滑塊與斜面間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力.求：

(1)A和B第一次碰撞后瞬間它們的速率分別為多少；

(2)A和B第一次碰撞與第二次碰撞之間的時間.

圖3 8省聯考廣東卷壓軸題圖

本題的物理過程是，物塊A在推力作用下加速，與物塊B發生彈性碰撞后交換速度，之后物塊B向下勻速，物塊A在推力作用下從速度為零開始再加速，物塊A可能在B向下勻速階段再次碰撞B，物塊A或在物塊B碰擋板反彈后再次碰撞B.A與B之間的初始距離是一個關系后續運動不同的變量.該過程可以用Algodoo軟件來創建，初學者按照下面的制作流程操作即可獲得滿意的探究情境.

圖4 8省聯考廣東卷壓軸題情境創建

不同初始位置二次碰撞的位置不同，仿真模擬結果如圖5所示.

(a)初始位置k<0.4

(b)k<0.4時二次碰撞位置

(c)初始位置k=0.5

(d)k=0.5時二次碰撞位置

(e)初始位置k=1

(f)k=1時二次碰撞位置

(g)初始位置k=2

(h)k=2時二次碰撞位置

有了對各種運動可能性的認識，再分類進行討論，即k<0.25，B向下運動時被A二次碰撞；k>0.25時，B反彈后和A發生二次碰撞.具體討論和運算這里不做贅述.

2.3 模擬飛行器的運動

無人機在軍事、科研、農業等領域有廣泛的應用，操縱無人機的運動可以在Algodoo軟件里實現，這會給學生認識力和運動的關系提供感性認識.新建一個Algodoo文件，設置重力加速度為g=10 m/s2,創建一個正方體代表飛行器，如圖6中的正方形物體，質量設為m=1 kg，為它安放4個推進器，向上施力的有推進器A1和推進器A2，推進器A1的推力大小設定為F1=10 N,推進器A2的推力大小設定為F2=0.5 N.這樣設定的目的是，僅僅開動推進器A1時物體受力平衡，能完成懸停或做勻速運動，此時再啟動推進器A2，F2即為物體受到的合外力.左右兩邊的推進器A3和A4的推力大小分別設定為F3=F4=0.5 N.再為4個推進器分別設定各自的啟動、關閉切換鍵.下面是對飛行器進行操縱使其完成對應的運動.

圖6 飛行器和推進器模型

2.3.1 合力為零的物體沿著初速度的方向勻速運動

學生常有這樣的不全面歸納：合力為零的物體總是沿著某個力的方向勻速運動.我們通過以下演示可以讓學生形成思維沖突，從而矯正錯誤并形成正確結論.

圖7 飛行器的運動1

2.3.2 創設物體在周期力作用下的運動

圖8 飛行器的運動2

2.3.3 設計游戲讓學生體驗力和運動的關系

圖9 操縱飛行器的運動

2.4 發射衛星的嘗試

我國的航天事業在國際上居于領先地位，這是我們引以自豪的大國工程.發射衛星是十分專業的事情，高中實驗室尚無條件完成這些實驗.Algodoo軟件能夠為我們制作仿真衛星發射的模擬器.設計的關鍵是，把運行環境的萬有引力常數設定為1，關閉重力和空氣阻力，這樣一般物體之間就有了引力，這些物體可以模擬天體.我們為衛星安置不同方向的推進器，就可以讓學生操縱推進器完成衛星發射了.如圖10是學生發射衛星的情境圖，圖(a)是發射失敗的案例，圖(b)是發射成功的案例，圖(c)是深空探測軌道，圖(d)是二次點火的變軌軌道.該課件還可以模擬嫦娥5號在月球表面起飛的情境.

圖10 “發射衛星”的幾次嘗試

科學思維是高中物理學科素養的核心要素之一，科學思維依賴想象，而想象有賴于情境的豐富和體驗的積累[1]. “給我一個支點，我能把地球撬起來”，這是阿基米德的想象.當學生天馬行空的想象能夠被模擬和仿真，讓想象得以驗證，就會激勵學生更加大膽地想象[2]，有利于創新人才的培養.