Algodoo軟件的推進(jìn)器在創(chuàng)設(shè)互動(dòng)式運(yùn)動(dòng)情境中的應(yīng)用*

喬永海

(惠州市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東 惠州 516008)

情境的創(chuàng)設(shè)對(duì)課堂教學(xué)具有引領(lǐng)作用，也是考試評(píng)價(jià)的載體.運(yùn)動(dòng)和相互作用在高中物理知識(shí)體系中處于核心地位.運(yùn)動(dòng)和相互作用在運(yùn)動(dòng)的合成、電學(xué)、航天等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，由于高中實(shí)驗(yàn)條件的限制，有的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳吧袩o(wú)條件實(shí)施.Algodoo軟件能夠仿真模擬很多運(yùn)動(dòng)，用好該軟件的“推進(jìn)器”工具，能夠創(chuàng)設(shè)十分豐富的運(yùn)動(dòng)情境，在新課講授、習(xí)題講解、科學(xué)探究等方面有重要用途[1].下面先介紹Algodoo軟件的“推進(jìn)器”工具，然后介紹應(yīng)用推進(jìn)器創(chuàng)設(shè)運(yùn)動(dòng)情境的案例.

1 Algodoo軟件的“推進(jìn)器”工具簡(jiǎn)介

Algodoo軟件的推進(jìn)器是對(duì)物體施加持續(xù)推力的工具，可以放置于物體上作為施力工具.推進(jìn)器可以設(shè)定的物理量有推力的大小、方向.在推進(jìn)器的屬性框(圖1)內(nèi)，可以手動(dòng)修改力的大小.復(fù)選框“推進(jìn)器跟隨幾何體旋轉(zhuǎn)”，默認(rèn)是勾選，如果勾選該項(xiàng)，物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)器會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)；如果不勾選該項(xiàng)，推進(jìn)器的施力方向不變.屬性框啟動(dòng)鍵右邊是熱區(qū)，點(diǎn)擊熱區(qū)，然后按動(dòng)鍵盤(pán)的某一鍵，比如“r”鍵，運(yùn)行時(shí)，持續(xù)按下“r”鍵，推進(jìn)器施力，松開(kāi)后不施力.如果勾選“切換”復(fù)選框，“r”鍵就成了推進(jìn)器啟動(dòng)、關(guān)閉的切換鍵.本文課件創(chuàng)建的推進(jìn)器屬性中均勾選“切換”復(fù)選框，下文不再贅述.

圖1 推進(jìn)器設(shè)置

2 用“推進(jìn)器”工具創(chuàng)建物理情境的案例

有了推進(jìn)器工具，就可以對(duì)物體施力，從而使物體產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題情境的創(chuàng)建和研究有輔助作用，相當(dāng)于一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室.

2.1 力對(duì)物體速度的改變

力對(duì)速度的改變可以從兩個(gè)方面考慮，力和速度共線時(shí)，力只改變速度的大小.具體可以分為兩類(lèi)，力和速度同向時(shí)，物體速度增加，力和速度反向時(shí)，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(yùn)動(dòng)情境的創(chuàng)建過(guò)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(zhì)點(diǎn)在斜面上的運(yùn)動(dòng)

在平時(shí)的習(xí)題教學(xué)中，會(huì)遇到新穎的運(yùn)動(dòng)情境，我們難以找到現(xiàn)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(lián)考”廣東卷的壓軸題為例說(shuō)明.

【題例】(2021屆8省聯(lián)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(gè)垂直斜面的彈性擋板.在斜面上P和Q兩點(diǎn)有材質(zhì)相同、質(zhì)量均為m的滑塊A和B，A和B恰好能靜止，且均可視為質(zhì)點(diǎn)，Q到O的距離是L，Q到P的距離是kL(k>0).現(xiàn)始終給A施加一個(gè)大小為F=mg、方向沿斜面向下的力，A開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，g為重力加速度.設(shè)A與B之間以及B與擋板之間的碰撞時(shí)間極短，且無(wú)機(jī)械能損失，滑塊與斜面間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)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(shí)間.

圖3 8省聯(lián)考廣東卷壓軸題圖

本題的物理過(guò)程是，物塊A在推力作用下加速，與物塊B發(fā)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(kāi)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(gè)關(guān)系后續(xù)運(yùn)動(dòng)不同的變量.該過(guò)程可以用Algodoo軟件來(lái)創(chuàng)建，初學(xué)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(lián)考廣東卷壓軸題情境創(chuàng)建

不同初始位置二次碰撞的位置不同，仿真模擬結(jié)果如圖5所示.

(a)初始位置k<0.4

(b)k<0.4時(shí)二次碰撞位置

(c)初始位置k=0.5

(d)k=0.5時(shí)二次碰撞位置

(e)初始位置k=1

(f)k=1時(shí)二次碰撞位置

(g)初始位置k=2

(h)k=2時(shí)二次碰撞位置

有了對(duì)各種運(yùn)動(dòng)可能性的認(rèn)識(shí)，再分類(lèi)進(jìn)行討論，即k<0.25，B向下運(yùn)動(dòng)時(shí)被A二次碰撞；k>0.25時(shí)，B反彈后和A發(fā)生二次碰撞.具體討論和運(yùn)算這里不做贅述.

2.3 模擬飛行器的運(yùn)動(dòng)

無(wú)人機(jī)在軍事、科研、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，操縱無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以在Algodoo軟件里實(shí)現(xiàn)，這會(huì)給學(xué)生認(rèn)識(shí)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系提供感性認(rèn)識(shí).新建一個(gè)Algodoo文件，設(shè)置重力加速度為g=10 m/s2,創(chuàng)建一個(gè)正方體代表飛行器，如圖6中的正方形物體，質(zhì)量設(shè)為m=1 kg，為它安放4個(gè)推進(jìn)器，向上施力的有推進(jìn)器A1和推進(jìn)器A2，推進(jìn)器A1的推力大小設(shè)定為F1=10 N,推進(jìn)器A2的推力大小設(shè)定為F2=0.5 N.這樣設(shè)定的目的是，僅僅開(kāi)動(dòng)推進(jìn)器A1時(shí)物體受力平衡，能完成懸停或做勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)再啟動(dòng)推進(jìn)器A2，F(xiàn)2即為物體受到的合外力.左右兩邊的推進(jìn)器A3和A4的推力大小分別設(shè)定為F3=F4=0.5 N.再為4個(gè)推進(jìn)器分別設(shè)定各自的啟動(dòng)、關(guān)閉切換鍵.下面是對(duì)飛行器進(jìn)行操縱使其完成對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng).

圖6 飛行器和推進(jìn)器模型

2.3.1 合力為零的物體沿著初速度的方向勻速運(yùn)動(dòng)

學(xué)生常有這樣的不全面歸納：合力為零的物體總是沿著某個(gè)力的方向勻速運(yùn)動(dòng).我們通過(guò)以下演示可以讓學(xué)生形成思維沖突，從而矯正錯(cuò)誤并形成正確結(jié)論.

圖7 飛行器的運(yùn)動(dòng)1

2.3.2 創(chuàng)設(shè)物體在周期力作用下的運(yùn)動(dòng)

圖8 飛行器的運(yùn)動(dòng)2

2.3.3 設(shè)計(jì)游戲讓學(xué)生體驗(yàn)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

圖9 操縱飛行器的運(yùn)動(dòng)

2.4 發(fā)射衛(wèi)星的嘗試

我國(guó)的航天事業(yè)在國(guó)際上居于領(lǐng)先地位，這是我們引以自豪的大國(guó)工程.發(fā)射衛(wèi)星是十分專(zhuān)業(yè)的事情，高中實(shí)驗(yàn)室尚無(wú)條件完成這些實(shí)驗(yàn).Algodoo軟件能夠?yàn)槲覀冎谱鞣抡嫘l(wèi)星發(fā)射的模擬器.設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，把運(yùn)行環(huán)境的萬(wàn)有引力常數(shù)設(shè)定為1，關(guān)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?yōu)樾l(wèi)星安置不同方向的推進(jìn)器，就可以讓學(xué)生操縱推進(jìn)器完成衛(wèi)星發(fā)射了.如圖10是學(xué)生發(fā)射衛(wèi)星的情境圖，圖(a)是發(fā)射失敗的案例，圖(b)是發(fā)射成功的案例，圖(c)是深空探測(cè)軌道，圖(d)是二次點(diǎn)火的變軌軌道.該課件還可以模擬嫦娥5號(hào)在月球表面起飛的情境.

圖10 “發(fā)射衛(wèi)星”的幾次嘗試

科學(xué)思維是高中物理學(xué)科素養(yǎng)的核心要素之一，科學(xué)思維依賴想象，而想象有賴于情境的豐富和體驗(yàn)的積累[1]. “給我一個(gè)支點(diǎn)，我能把地球撬起來(lái)”，這是阿基米德的想象.當(dāng)學(xué)生天馬行空的想象能夠被模擬和仿真，讓想象得以驗(yàn)證，就會(huì)激勵(lì)學(xué)生更加大膽地想象[2]，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng).