仿真物理實驗室的應用

本文將介紹如何借助仿真物理實驗室軟件研究從地球上發(fā)射物體所需的三種宇宙速度。

構建模擬場景并設定對象基本參數(shù)

打開仿真物理實驗室軟件，新建工作區(qū)場景，然后放置模擬的地球對象和發(fā)射物體對象，并進行基本參數(shù)的調(diào)整，構建模擬場景。

1.選擇“文件”菜單中的“新建”選項，單擊工作區(qū)域中合適位置。研究宇宙空間需要較大的尺度，在彈出的“坐標比例設置”對話框中設置坐標比例為1.1e＋7。

2.選擇“創(chuàng)建”浮動面板中的“球體運動對象”，然后在工作區(qū)域中的（0，0）坐標處單擊鼠標放置一球體對象作為地球。設置它的質量參數(shù)為6E24千克，半徑參數(shù)為3 300 000米，在“運動對象設置”對話框中單擊“使用貼圖”，瀏覽并為創(chuàng)建的地球物體加載一個圖片，在彈出的窗口中進行的設置如圖1所示。

3.再次選擇“創(chuàng)建”浮動面板中的“球體運動對象”，在地球對象正上方單擊鼠標放置一球體對象作為發(fā)射物體。在“運動對象設置”對話框中設置它的質量參數(shù)為1千克，半徑參數(shù)為700 000米（演示時可以看清楚，也不會影響數(shù)據(jù)的正確性），然后根據(jù)地球對象的貼圖大小設置發(fā)射物體的初位移x=0 y=7 500 000米。

4.選擇“編輯”菜單中的“放置底圖”選項為場景設置一個星空的背景圖案，使虛擬的環(huán)境更顯真實。

5.選擇“編輯”菜單中的“實驗設置”選項，在“功能設置區(qū)域”選擇“考慮運動對象間萬有引力”項，指定運動對象間的作用力性質，“最小掃描時間”設置為1秒，如圖2所示。

交互及其參數(shù)設定

場景構建完成之后，需要設置交互演示和控制的參數(shù)。這里我們通過兩個輔助點間距離的變化來實時控制發(fā)射物體的初速度。

1.右鍵單擊場景中發(fā)射物體球體，在快捷菜單中選擇“屬性”，然后在出現(xiàn)的“運動對象設置”對話框中單擊“為參數(shù)定義變量”按鈕，在速度分量區(qū)域的“速度Vx分量”欄中輸入Vx，發(fā)射物體的水平速度被定義為變量Vx，最后確定退出。

2.選擇“創(chuàng)建”浮動面板中的“輔助點”選項在工作區(qū)域的右上方創(chuàng)建一個輔助點，參數(shù)使用系統(tǒng)默認。再次創(chuàng)建一個輔助點，在出現(xiàn)的“輔助點設置”對話框中將矢量比例的數(shù)值設置得稍大一些，比如500 000，然后確定退出。

3.選擇“度量”菜單中的“距離”選項，根據(jù)系統(tǒng)提示先后點擊創(chuàng)建的兩個輔助點，在出現(xiàn)的“度量距離設置”對話框中定義變量名稱為distance，如圖3所示。

4.選擇“程序”菜單中的“程序編輯器”，在彈出的對話框中輸入如下程序控制代碼（t為系統(tǒng)自定義的時間變量）：

判斷1:如果(t=0)則執(zhí)行

Vx=distance/1000

結束判斷1

實驗過程的控制與程序調(diào)試

現(xiàn)在，我們就可以運行實驗了。拖動輔助點可以改變發(fā)射物體的水平初速度，發(fā)射物體的速度會顯示在工作區(qū)域的左上方。但還存在一個問題：當初速度小于7900米/秒時，炮彈會落進地球對象中，此時發(fā)射物體與地球表面的距離會小于地球的半徑。我們應該在炮彈落進地球時，暫停該模擬實驗。下面我們來解決這個問題。

1.打開發(fā)射物體的“運動對象設置”對話框，單擊為“參數(shù)定義變量”按鈕，在位移變量區(qū)域中分別在“位移x分量”欄和“位移y分量”欄中輸入Sx和Sy，發(fā)射物體的位移坐標值分別被定義為變量Sx和Sy。

2.選擇“程序”菜單中的“程序編輯器”選項，在程序編輯器中接著輸入如下程序控制代碼（3 300 000為地球對象的半徑參數(shù)）：

判斷2:如果(sqrt(Sx*Sx+Sy*Sy)<3300000)則執(zhí)行

暫停

結束判斷2

3.現(xiàn)在我們可以通過拖動輔助點的方式改變輔助點間的距離，從而間接控制發(fā)射物體的發(fā)射初速度。計算機通過該仿真軟件內(nèi)置的物理計算公式，自動計算發(fā)射物體的環(huán)繞軌道，并且可以實時顯示運動軌跡和運動速度。發(fā)射物體初速度的不同，可以直觀地從運動軌跡上反映出來。最后，可以給模擬場景增加一些文字或者按鈕進行注釋。如圖4所示。

在制作人造衛(wèi)星、地球圍繞太陽運轉之類的模擬場景時，選擇恰當?shù)淖鴺吮壤顷P鍵，同時還要注意選擇恰當?shù)摹皩嶒炞钚呙钑r間”。

結束語

在該實驗平臺中，我們除了可以實時演示模擬實驗及相關數(shù)據(jù)外，還可以通過該軟件的輸出動畫功能將模擬實驗以AVI動畫或者GIF圖片的形式導出，從而克服了跨平臺使用的鴻溝，大大方便了和其他多媒體課件制作工具的融合。

（仿真物理實驗室v5.0試用版的下載地址為：http://www.eedduu.com/）

（作者單位：華東師范大學教育信息技術學系 200062）

觀后感：

以前嘗試用Authorware、Flash做課件，但在制作物體復雜的運動這一類課件時要計算一大堆的數(shù)據(jù)，并且還要使用很多自己并不熟悉的腳本函數(shù)來編寫程序，常感到有點吃力甚至放棄。看了這篇文章就不用再犯愁了，因為有了仿真物理實驗室軟件。本文通過一實例，簡單扼要地說明了利用仿真物理實驗室軟件制作課件的步驟，讓課件制作愛好者一看就明白制作課件的流程，很容易上手。通過鼠標點幾下，一個復雜的課件就輕而易舉地做成了。

（江蘇省金湖縣第二中學 黃開宏）