利用计算机仿真技术突破高中力学难点，本文主要内容关键词为：力学论文,难点论文,高中论文,计算机仿真论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
传统的实验手段难以直接验证一些物理定律或原理，例如牛顿第一定律就不能用实验直接验证。随着信息技术的迅速发展，传统物理实验所遇到的困难完全可以通过计算机仿真技术解决。在众多仿真软件中，Algodoo是其中的佼佼者。本文在对Algodoo进行简单介绍的基础上，着重介绍如何用Algodoo创建理想化的力学实验环境，并完成牛顿定律、曲线运动、宇宙航行等仿真实验。 二、仿真软件介绍 Algodoo有强大的编辑能力，除了可以创建圆形、方形、平面等基本元素外，通过切割工具还可以创建几乎是任意形状的元素，另外为了方便使用，点击按钮可以快速创建链条、齿轮、弹簧、铰链、火箭助推器等常用元素，所有元素可用“固定连接点”“轴承”等手段组合成更复杂的系统。 在Algodoo中，所有的元素和真实世界中一样，可以赋予它质量、密度、摩擦力、弹性等属性，另外它们所处的环境也可以任意编辑，可以设定是否存在重力、是否存在空气阻力等[1]。 三、仿真环境的创建 太空是一个理想的力学实验室，没有摩擦力、空气阻力、地球重力的干扰，非常接近高中物理要求的理想化条件。因此，本文准备创建一个虚拟太空环境和两架虚拟飞碟，通过飞碟在太空中的运动来探索牛顿三大定律和曲线运动规律。 在Algodoo中创建太空环境非常的简单，如图1所示，在工作区下方的工具条中，点击第3组第1个图标，使其处于不选中状态，此时系统被设定为无重力；点击第3组第2个图标，使其处于不选中状态，此时系统被设定为无空气阻力。
创建飞碟也不复杂，可以先创建出圆形，然后如图2所示，在其上下左右各安装一个火箭助推器。每个推进器均设定推进力为1N，设定“推进器跟随几何体旋转”，将“上下左右”键设定为上下左右4个推进器的启动键。
用同样的方法创建第2架飞碟，设定它的动力和第一架一样，但质量比第一架大得多，将“WZAS”键作为4个推进器的启动键。 四、仿真实验及探究 为了提高学生的兴趣，在仿真实验开始前，教师先提出了一系列问题： 问题1：旅行者飞船于1977年发射，到2005年已经飞到太阳系的边缘，28年间飞行了140亿公里，请问它是靠什么飞行的？ 问题2：利用航天飞机，人们可以到太空维修出现故障的人造地球卫星。请问航天飞机是如何接近并停泊在卫星附近的？ 问题3：航天器在太空中如何转弯？ 问题4：美国于20世纪80年代中期开始实施星球大战计划，假如未来的某一天人类在外太空也开辟了战场，那么什么样的太空飞行器更容易获胜？ 学生对这些问题，要么不知道，要么有错误认识，例如问题1，大部分学生认为是靠往后喷射高温气体产生的反推力来飞行的。 为了改变学生的错误认识，有必要让学生“眼见为实”，点击Algodoo工作区下方的工具条第2组第2个图标，即可进入仿真状态。 实验1：牛顿第一定律验证实验 刚进入仿真状态时，飞船是静止的（如图3）；按键盘上的向右键，第一艘飞船左边的推进器开始喷火，Algodoo有一个优点，就是可以显示力和速度的图示，因此我们可以直观地看到其反冲力向右，持续一段时间，我们看到飞船向右运动，速度越来越大（如图4）；当速度足够大时，松开向右键，推进器停止喷火，作用力消失，但速度始终保持不变（如图5）。
本实验解释了问题1，飞船的长距离太空飞行靠的是惯性，而不是力。 第一个实验虽然简单，但可以彻底颠覆学生长期在地球上生活而具有的一些错误观念，例如我们总是认为无论哪种交通工具总是需要消耗燃料的，运动的距离越远，需要消耗的燃料就要越多，但在太空中，可以做到像旅行者飞船这样，以第一宇宙速度或更高的速度飞行28年而不需要任何燃料。 实验2：牛顿第二定律验证实验 飞船原来在A点处于静止状态，要向右运动并停泊在B点，学生通过仿真实验会发现可以先施加向右的力，让飞船加速，然后施加向左的力，让飞船减速，但很难准确停止在B点，教师可以告诉学生，飞船如果要进行定点停泊，地面控制站必须先进行计算，并发出精确的控制指令，而不能凭感觉，其实我们借助v-t图也可以进行分析计算。 借助v-t图分析，可以发现有两种方案.第一种方案如图6，O为AB的中点，在OA段加速，在OB段减速，具体实验时，可以先按向右键，火箭向左喷火，运动到中点后，改按向左键，火箭向右喷火，运动到终点时，飞船速度刚好为零。
第二种方案如图7，AC=DB，具体实验时，先按向右键，火箭向左喷火，飞船加速，运动到C点后，放开向左键，飞船依靠惯性匀速运动到D点时，按下向左键，飞船减速，运动到终点时，飞船速度刚好为零。
让学生再进行仿真实验，这个时候，学生会发现，可以很容易完成定点停泊的操作。 最后可以引导学生思考哪种方案较好。学生可以进行多次的对比仿真实验，会发现第一种的运动时间较短，而第二种比较容易精确定位，这个从v-t对比中也可以得到同样的结果。 实验3：曲线运动实验 先启动一架飞碟让它在一个方向加速，当具有一定速度时，启动与当前速度成90°角的推进器，可以看到当速度和力不成0°或180°时，飞碟做曲线运动。 为了达到更好的实验效果，可以在飞碟上添加循迹追踪工具，并且设定轨迹粗细和较长的保留时间，启动仿真后，屏幕上就会留下飞碟运动的轨迹图（图8）。
实验4：惯性实验 由两个同学分别控制2架飞碟进行太空模拟战斗游戏，操作质量大的飞碟学生很快就会抱怨，因为质量大的飞碟很笨拙，加速慢、转弯慢，减速慢，在交战中完全处于被动挨打的地位，通过游戏，学生直观地体会到惯性的作用。 在地球环境下，我们习惯用重量来感知质量，太空失重环境下，质量只能通过惯性来体现，所以国外有教材将质量直接定义为惯性，和国内的定义完全不同。 最后教师引导学生思考，飞碟上携带的少量燃料有什么作用？大多数学生都能回答，在太空中加速、减速、转弯需要消耗燃料，但是做匀速直线运动并不需要燃料。 牛顿运动定律、曲线运动等规律都可以设计单独的虚拟实验，本文之所以设计了一个综合性的实验，是希望学生能了解到这些被验证的物理定律之间其实有着非常紧密的联系。同时将仿真实验环境设定为太空，充分利用了学生对太空的好奇和向往心理，不但学生的学习兴趣十分浓厚，而且由于展现的场景和在地球上的经验完全不同，从而带来强烈的震撼效果，学生印象深刻。
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