基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ的物理習題教學

收稿日期：2023-08-07

基金項目：重慶市教育科學規劃課題“高中物理跨學科融合教學方法研究”（K22YG104413）。

作者簡介：彭鴻宇（2000-），男，中學二級教師，主要從事高中物理教學工作。

摘" "要：在傳統高中物理教學中，多過程碰撞的物理過程很難在板書上展現出來，成為教學的一大難點。基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ仿真功能，以２０２３年高考全國乙卷２５題和湖北卷１５題為例，將多過程碰撞的物理過程可視化，直觀展現物理模型，幫助學生理解題目的復雜情境，有效縮短學習時間，提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。

關鍵詞：Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ；可視化；高考物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）3-0082-5

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》引導學生自主學習，提倡教學方式多樣化。高中物理課程通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習情境，培養和發展學生的自主學習能力。通過多樣化的教學方式，利用現代信息技術，引導學生理解物理學的本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力［１］。Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ是一款強大好用的交互物理仿真軟件，可以將抽象的概念可視化，是教師研究各類物理模型的好幫手。該軟件支持快速繪制物理對象，擁有物理接觸模擬等多種功能，并能以圖形的方式演示各種物理情境。通過簡單設置，可以輕松實現中學物理中大多數物理模型的演示，值得廣大物理教師學習和推廣。

鑒于以上問題，以２０２３年高考全國乙卷２５題和湖北卷１５題為例，基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ軟件對物理試題中的場景進行可視化，以幫助學生理解復雜的物理情境，降低教師建模和講解的難度。同時，有利于學生認識復雜的運動過程，構建物理模型，養成嚴謹的思維習慣，培養科學思維和科學探究能力［２］，總結物體的運動規律。

１" " 運動學例題分析及可視化物理模型構建

１．１" " ２０２３年全國乙卷２５題

例１ 如圖１，一豎直固定的長直圓管內有一質量為Ｍ的靜止薄圓盤，圓盤與管的上端口距離為ｌ，圓管長度為２０ｌ。一質量ｍ＝■Ｍ的小球從管的上端口由靜止下落，并撞在圓盤中心，圓盤向下滑動，所受滑動摩擦力與其所受重力大小相等。小球在管內運動時與管壁不接觸，圓盤始終水平，小球與圓盤發生的碰撞均為彈性碰撞且碰撞時間極短。不計空氣阻力，重力加速度大小為ｇ。求

（１）第一次碰撞后瞬間小球和圓盤的速度大小；

（２）在第一次碰撞到第二次碰撞之間，小球與圓盤間的最遠距離；

（３）圓盤在管內運動過程中，小球與圓盤碰撞的次數。

１．２" " 例題分析

本題第１、第２問相對比較簡單，學生能快速解答，難點在第３問。第３問有較強的綜合性，很好地體現了對科學思維和學科素養的考查。很多學生無法形成小球和圓盤的“多次碰撞空間思維”，無法理解該題目中使用ｖ－ｔ圖解題的巧妙。運用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ建立相應的可視化物理模型，能幫助學生認識小球和圓盤運動的復雜過程，輔助學生理解該例題。可視化演示過程直觀、清晰，學生看完演示過程后，可有效縮短學習時間，提高學習質量和學習效率。

１．３" " 構建可視化物理模型

（１）如圖２所示，打開軟件，依次點擊［Ｖｉｅｗ］ → ［Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ］ → ［Ｒｕｌｅｓ］→［Ｇｒｉｄ Ｌｉｎｅｓ］→［ＸＹ Ａｘｅｓ］，在操作界面顯示坐標軸、標尺和網格線。

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圖２" 操作界面設置圖

（2）重力加速度的設置如圖３所示，依次點擊 ［Ｗｏｒｌｄ］→［Ｇｒａｖｉｔｙ］，將重力加速度修正為１０ ｍ/ｓ２，與題目預設的場景一致。

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圖３" "重力加速度設置圖

（３）在左側工具欄點擊插入［Ｃｉｒｃｌｅ］和［Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ］并調整至合適大小，作為題目中相互碰撞的小球與圓盤。選擇物體并單擊右鍵，點擊 ［Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ］，根據題意改變選中物體的質量、彈性系數、摩擦因數、初速度、初位置（應考慮物體所占空間）等物理量，如圖４所示。另外，點擊 ［Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ］ 可改變物體名稱、外觀等變量。為更好地還原題目場景，可插入兩個條形邊界并錨定，作為題目中的長直圓管。按照題目要求調整各物體至合適位置。

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圖４" Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ參數設置圖

（４）為簡化操作，題目中設定圓盤與圓管間的摩擦力與重力相等，可以點擊左側工具欄 ［Ｆｏｒｃｅ］，在圓盤上添加一個與重力等大反向的外力作為摩擦力，如圖５所示。

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圖５" "摩擦力參數設置圖

（５）軟件操作面板如圖６所示，題目初始情境雛形已經形成。

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圖６" 軟件操作面板圖

（６）例題的難點在于第３問“圓盤在管內運動過程中，小球與圓盤碰撞的次數”。很多學生不能想象小球與圓盤的運動情況，無法總結小球和圓盤的運動特點。為了幫助學生理解，可以引入停止條件：當圓盤離開圓管時，程序暫停。依次點擊 ［Ｗｏｒｌｄ］→［Ｐａｕｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ］→［Ｎｅｗ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ］，填入位置函數“（Ｂｏｄｙ［１］．ｐ．ｙ）＜＝－０．２”（因不同操作者設計的圓盤厚度不同，填入的函數略有差異），如圖７所示。加入本條件后，當圓盤脫離圓管時，程序即停止，可更加精準地研究兩者在圓管內的運動情況。

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圖７" 位置函數設計圖

（７）為形象直觀地觀察兩者的運動情況，可插入ｖ－ｔ圖輔助研究。選擇任一個物體后，依次點擊［Ｍｅａｓｕｒｅ］→［Ｖｅｌｏｃｉｔｙ］→［Ｙ Ｇｒａｐｈ］，右鍵單擊彈出的窗口，點擊 ［ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ］，可使用速度函數“－Ｂｏｄｙ［２］．ｖ．ｙ”定義“ｙ２”，在同一ｖ－ｔ圖中展示兩物體的速度變化，如圖８所示。點擊 ［Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ］ 可改變ｖ－ｔ圖的名稱，展示內容等變量。

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圖８" 速度函數設置圖

（８）點擊［Ｒｕｎ］運行程序，若ｖ－ｔ圖像精度不足，可依次點擊［Ｗｏｒｌｄ］→［Ａｃｃｕｒａｃｙ］，酌情調整計算步長 ［Ａｎｉｍａｔｉｏｎ Ｓｉｅｐ］。精度越高，對計算機的資源消耗越大。

（９）運行程序時可以發現：當兩者速度相等時，兩者有最遠距離，如圖９所示。

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圖９" 速度相等演示圖

（１０）當圓盤脫離圓管時，程序停止。根據ｖ－ｔ圖可得，在圓管中運動時，兩者發生４次碰撞，運行結果如圖１０所示。在課堂演示過程中，學生可以清晰地觀察到小球與圓盤的運動軌跡，極大程度降低了學生的思維難度，完成物理建模，進行后續的運算。

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圖１０" "運動停止演示圖

１．４" " 可視化物理模型在教學中的優勢

兩者ｖ－ｔ圖中圍成的第一個三角形的面積等于兩者第一次碰撞前小球位移的大小，即為Ｌ；而之后的相鄰碰撞間隔中，小球與圓盤的相對位移的最大值也為一個三角形，即為Ｌ；圓盤每一次碰撞后速度的增量均為小球第一次碰撞前初速度的一半。由圖像可知，圓盤相鄰碰撞間隔中的位移大小分別是２Ｌ，４Ｌ，６Ｌ，８Ｌ，１０Ｌ……圓管長度為２０Ｌ，但圓盤只需運動１９Ｌ即脫離圓管，故只需要發生４次碰撞。整個演示過程直觀、清晰。

Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ是一款強大好用的交互物理仿真軟件，它不僅能模擬演示力學、運動學中多次碰撞多過程問題，也能模擬電磁場中更為復雜的多次碰撞多過程問題。

２" " 電磁場例題分析及可視化物理模型構建

２．１" " "２０２３年湖北卷１５題

例２ 如圖１１所示，空間存在磁感應強度大小為Ｂ、垂直于ｘＯｙ平面向里的勻強磁場。ｔ＝０時刻，一帶正電粒子甲從點Ｐ（２ａ，０）沿ｙ軸正方向射入，第一次到達點Ｏ時與運動到該點的帶正電粒子乙發生正碰。碰撞后，粒子甲的速度方向反向、大小變為碰前的３倍，粒子甲運動一個圓周時，粒子乙剛好運動了兩個圓周。已知粒子甲的質量為ｍ，兩粒子所帶電荷量均為ｑ。假設所有碰撞均為彈性正碰，碰撞時間忽略不計，碰撞過程中不發生電荷轉移，不考慮重力和兩粒子間庫侖力的影響。求：

（１）第一次碰撞前粒子甲的速度大小；

（２）粒子乙的質量和第一次碰撞后粒子乙的速度大小；

（３）t=■時刻粒子甲、乙的位置坐標，以及從第一次碰撞到t=■的過程中粒子乙運動的路程。

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圖１１" 湖北卷１５題圖

２．２" " 例題分析

本題第１、第２問比較簡單，學生能快速解答，難點也在第３問。第３問有較強的綜合性，能很好地體現科學思維和學科素養。很多學生無法形成甲、乙兩個帶電粒子在磁場中多次碰撞的運動情境，進而無法理解利用周期關系、速度關系求解該題的巧妙之處。為幫助學生形成多次碰撞運動情境，運用 Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ建立相應的可視化物理模型。因第１、第２問比較簡單，可以把第２問的質量關系和速度關系直接輸入到程序中，便于可視化模型的呈現。重點處理學生最難理解的第３問，幫助學生認識甲、乙兩個帶電粒子在磁場中的多次碰撞過程，輔助學生對于該例題的理解。學生看完可視化演示過程后，可有效縮短學習時間、提高學習質量和學習效率。

２．３" " 構建可視化物理模型

（１）對帶電粒子在磁場中運動的仿真，需要去除重力場，添加磁場。如圖１２所示，點擊 ［Ｗｏｒｌｄ］［Ｆｏｒｃｅ Ｆｉｅｌｄ］ ，按圖示選擇，引入默認磁場。

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圖１２" 磁場設置圖

（２）根據第１、第２問的計算結果，在軟件中構建甲、乙兩個粒子，并設置合適的質量、速度、電荷量等參數。

（３）點擊運行，兩個帶電粒子的運動軌跡如圖１３所示。

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圖１３" 粒子運動演示圖

（４）如圖１４所示，也可顯示ｖ－ｔ圖，定量分析甲、乙粒子的速度變化情況。

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圖１４" 粒子ｖ－ｔ圖

２．４" " 可視化物理模型在教學中的優勢

在忽略計算精度誤差的前提下，可發現甲、乙兩個粒子的運動規律：第１次碰撞后兩粒子速度大小為ｖ■＝３ｖ０，ｖ■＝３ｖ０，第２次碰撞后則為ｖ■＝ｖ０，ｖ■＝５ｖ０，第３次碰撞后為ｖ■＝３ｖ０，ｖ■＝３ｖ０，第４次碰撞后為ｖ■＝ｖ０，ｖ■＝５ｖ０，依次類推。每一次碰撞結束后，兩組速度交替。到此，學生已經建立起兩粒子的運動模型，總結出兩粒子的運動規律，可視化模型試題的目的已經達到，后續則容易計算出正確結果。

３" " 結" 論

課程標準中倡導多樣化的教學方式，提倡通過創設情境讓學生積極參與、樂于探究、勤于思考，養成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力。立足２０２３年高考真題，從力學（全國乙卷２５題）問題到電磁場問題（湖北卷１５題），重點考查運動學和電磁場中多次碰撞的運動規律，難度較大，學生在短時間內難以理清頭緒。通過Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ軟件作出研究對象的運動動態軌跡，并根據所求問題進行動態調整，可以化抽象為形象，使復雜問題變得簡單、直觀、易理解。同時，也可以很好地幫助學生養成嚴謹的思維習慣，提升其學科核心素養［３］。Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ這款強大好用的交互物理仿真軟件，不僅能模擬演示力學、運動學、電磁場中數次碰撞多過程問題，也能模擬出動量、電磁感應、熱學中復雜的多次碰撞多過程問題。在高中物理教學中，可嘗試將Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ構建的模型融入教學，以培養學生的科學思維、科學探究能力。

教師使用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ軟件可快速繪制可視化物理模型，把關注的焦點集中到教學問題上［４］，不建議教師在講題之初就直接將可視化物理模型展示給學生，而忽略物理分析過程。考查“利用數學處理物理問題”的能力也是高考的重要職能之一，在教學中不能省去必要的數學推導。可視化軟件僅能輔助教師構建物理模型，并非講題的“捷徑”，不可過分依賴。教師要在教學過程中注重引導學生弄清概念和規律的形成過程，培養學生的綜合分析能力。為達到這一目的，教師可借助可視化的信息技術演示，將物理現象的本質以多種方式全方位地表征出來。生動形象的物理圖景可引導學生深入思考物理問題，逐漸形成自主科學探究的意識和能力［５］。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［Ｓ］.北京：人民教育出版社，2020.

［２］邵奇．利用Ｔｒａｃｋｅｒ定量分析彈簧振子ｘ－ｔ圖像的實驗研究［Ｊ］．物理通報，２０２３（３）：１１４－１１６，１２１．

［３］石超，吳夢雷．基于ＧｅｏＧｅｂｒａ軟件的回旋加速器工作原理分析——以２０２１年江蘇省高考物理第１５題為例 ［Ｊ］．物理教師，２０２１，４２（１２）：８４－８６．

［４］張懷華.利用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ簡單實現電荷在電磁場中的運動［Ｊ］．計算機教與學·現代教學，２００４（１１）：１８－１９．

［５］王春花，程敏熙，郭湑尉．基于思維培養的高中物理可視化教學策略［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２１，５０（２６）：４８－５０．

（欄目編輯" " 賈偉堯）