Algodoo的图像功能在物理教学中的应用
2021-03-21乔永海
摘 要：图像问题是高中物理教学的重点和难点。用图像可以描述物体运动中的物理量变化，具有直观、信息量大等优点。学生以图像为工具可以认识运动和探究问题。Algodoo软件能绘制各种机械运动物体的位置、速度、加速度、能量等变化的图像，对图像教学有重要意义。学生开始学习图像时，要学习匀速直线运动和匀变速直线运动的图像，Algodoo可以根据物体的运动情境实时绘制这些运动的位置和速度图像。探究机械能守恒定律时，Algodoo可以绘制平抛或者自由落体运动物体的动能、势能、机械能变化的图像，从图像上能直观地发现规律，这是对传统教学方式的补充。Algodoo能绘制许多新颖的图像，如机械能-时间图像、机械能-位置图像、速度-位置图像等，对学生创新思维的培养和综合能力的提高有辅助作用。
关键词：软件工具;Algodoo;信息技术;图像;运动
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2021）10-0045-4
高中物理中，图像有其重要的地位。用图像来描述物理过程或情境，有直观、全面和信息量大等特点，比如物体运动的速度图像里蕴藏有速度、位移和加速度的信息。图像对物理概念的认识和深入理解是有帮助的，如速度图的斜率表示加速度，这是从几何视角认识加速度的概念。图像是分析问题的工具、呈现信息的载体，比如用图像分析一个运动物体的动能、重力势能和机械能的变化。Algodoo软件能对一个物体运动过程进行实时图像描绘，可以绘制的图像有484种，操作简单，对高中物理图像教学有重要的辅助作用。
1 Algodoo在学生开始学习运动图像时的应用
1.1 研究匀速直线运动
高一物理第一章《认识运动》，是学生认识物体运动图像的开始，包括位移图像和速度图像，以匀速直线运动的图像描述为重点。
1.1.1 匀速直线运动的位置-时间图像
新建一个Algodoo 文件，开启网格，选用“方框工具”在中线处创建物体A，默认中线为坐标原点，点击物体后按动鼠标右键，在快捷菜单里选“材质”，把“摩擦力（实际是动摩擦因数）”数值修改为零（以下简化为“把摩擦力修改为零”），设置物体的初速度为2 m/s，创建的情境如图1所示。
选择物体，在快捷菜单里选择“显示图表”，运行软件，图表中实时显示物体的位置-时间图像。运动一段时间后暂停，点击“还原”图标，物体回到初始位置。点击“移动工具”，移动物体的初始位置，重复上述操作，获得物体速度相同、初始位置不同时的位置-时间图像（图2）。同一物体的图像会显示在同一图表上，便于对比。
1.1.2 不同速度物体的位置-时间图像
我们还可以改变物体的速度，来获得同起点、不同速度物体的位置-时间图像。可以看到，物体速度越大，对应的图像斜率越大，如图3所示。
1.1.3 复杂运动过程的位置-时间图像
如何完成复杂运动的图像绘制呢？重复上述操作，运行1 s后暂停，修改物体速度为零，再运行1 s后暂停，修改物体速度为-2 m/s，运行1 s后暂停，获得如图4的图像。图像能描述这些复杂运动，显示出图像功能的强大，加深学生对图像的认识。
1.1.4 匀速直线运动的速度-时间图像
改变图表的纵坐标为速度，用上述方法可以获得不同匀速直线运动的速度-时间图像。软件会根据图像的特点自动设置纵坐标的起始位置，为了避免纵坐标不为零的情况发生，先设置物体速度为零，运行获得图线后，再绘制其他图像，图线的纵坐标起点就是零点了，如图5所示。
1.2 研究匀变速直线运动
匀变速直线运动是高中物理研究的重点，如何让物体做匀变速直线运动呢？这要用到 “推进器工具”。修改物体的速度为零，让物体位于坐标原点。选择“推进器工具”，點击物体中间，不要松手，拖动使推进器的箭头朝右，释放鼠标。设置推进器推力为1 N，如图6所示。
1.2.1 匀变速直线运动的位置-时间图像
打开物体的图像窗口，纵坐标选择位置（x），运行软件，获得物体做匀变速直线运动的位置-时间图像（图7），是一条抛物线。匀变速直线运动的位置-时间图像是一条曲线，这是传统教学的难点。我们过去对于该图像的教学设计是，新课学习时回避该图像，在习题里渗透。结合该软件引入匀变速直线运动的位置-时间图像，顺理成章，难点悄然突破，这是信息工具对教学方式改变的案例。
1.2.2 匀变速直线运动的速度-时间图像
设置推进器的推力为1 N，可以得到匀变速直线运动的速度-时间图像。让物体复位，改变推进器的推力为2 N，再绘制一条速度-时间图像，改变推力为0.5 N，获得对应的速度-时间图像，如图8所示。
1.2.3 复杂的匀变速直线运动的速度-时间图像
在物体上再安置一个向左的推进器，如图9所示。左边推进器L推力设为1 N，在属性窗口里勾选“切换”，启动键定义为h，该键将成为控制推进器的控制键。运行时，开始推进器不工作，按动h键后点火施加推力，再按动将停止施加推力。右边推进器R推力设为1 N，勾选“切换”，启动键定义为：g。
运行软件，先按动h键，物体开始加速;一段时间后，再按动h键，物体匀速;一段时间后，再按动g键，物体减速，速度减为零时停止运行。获得物体的速度-时间图像如图10所示。这里把物体的变速运动和推进器的推力联系起来，对后续的牛顿定律的学习有铺垫作用。力改变物体运动状态的物理观念是学生初中就具备的，因此，学生接受起来并不困难。
2 Algodoo在学生应用图像解决问题中发挥的作用
熟悉了物体的运动图像，今后的学习中就能够以图像为工具来探究规律和解决问题了。
2.1 探究做自由落体运动物体的机械能守恒
新建一个文件，删除水平面，创建一个球，球最好在纵坐标大于零的某一位置，关闭空气阻力。打开物体的图像窗口，横坐标默认是时间，纵坐标同时勾选“动能（全部）”“重力势能”“总能量”三项。运行软件，当物体即将到达y=0位置停止运行，图像窗口中同时绘制出物体自由下落时的三条图线，如图11所示。物体的动能越来越大，对应图线甲;物体的重力势能越来越小，对应图线乙;物体的动能和势能的总和不变，对应图线丙，而且是水平的直线，说明物体的机械能是守恒的。
图线以直观的方式实时展示出物体运动过程中所需物理量的变化，便于探究规律，这对我们的教学方式会产生积极影响，一些昔日的教学难点可能会因为新信息技术手段的出现而化解。
2.2 研究碰撞过程
在图11的基础上，在小球的下面绘制水平面，打开小球的图像窗口，点击“Y坐标”按钮，选中“加速度（y）”， 可以获得小球自由下落、碰地和反弹的加速度-时间图像，如图12所示。从图像可以看出，小球碰撞地面时加速度突然变化，碰撞的时间是0.04 s。碰撞过程是极短时间发生的，平时教学中缺乏技术手段记录这些数据，该软件就起到重要的工具作用。
2.3 研究弹簧振子的运动
简谐振动是高中物理研究的较为复杂的运动，图像能帮助学生认识简谐振动。建立弹簧振子（图13），关闭空气阻力，设置摩擦力为零。
显示振子的图像窗口，获得振子振动过程的速度-时间图像（图14）。降低演示速度能观察运动过程的细节，这种实时的图像记录是学生探究未知运动的工具。如果开放空气阻力，就能获得阻尼振动的图像。
3 Algodoo为学生创造性地使用图像提供帮助
随着学生认知水平的提高，我们还可以给学生介绍一些其他种类的图像，横坐标可以是其他量，这种“另类图像”能打破学生的思维定式，对创造性思维的培养是有帮助的，下面举例说明。
新建一个文件，创建一个小球，设置其弹性系数为1，关闭空气阻力。打开小球的图像窗口，横坐标选位置（y），纵坐标选速度（x），运行获得小球触地反弹过程的速度-位置图像（图15）。这种图像和横坐标是时间的图像是不同的，图线不是向右延伸，而是一条往返曲线。
再举例，一个物块放在粗糙的固定斜面上，物块与斜面之间的动摩擦因数为μ，斜面倾角为θ，满足μ<tanθ。给物块一个沿斜面向上的初速度，物块沿着斜面做匀减速直线运动，之后又向下做匀加速直线运动，其机械能随时间的变化图像如图16所示。从图像可以看出，物块的机械能是不断减小的，但减小的快慢有变化，物块速度大时机械能减小得快，图线斜率大;物块速度小时机械能减小得慢，图线斜率小。
学生一旦把图像和运动联系起来，就能够从图像上挖掘信息，有利于解决问题;图像从不同侧面描述运动，学生可以以此为工具来认识和研究运动。
Algodoo软件的图像橫坐标和纵坐标都有22种项目来选择，学生可以任意选择坐标轴的物理量，得到很多“好玩”的图像来。我们可以布置“玩游戏”作业，让学生绘制“新奇的图像”来“难倒”其他同学，对激发学生的学习兴趣很有帮助。
本文只介绍了Algodoo的图像功能，其他功能对高中物理教学也有很好的辅助作用，例如，该软件能显示物体之间的作用力，用于可视化力的教学[1];利用软件中的推进器可以模拟复杂的运动，辅助习题教学[2];利用液体流动的特点，演示水流星在不同速度下容器中液体的运动[3];利用Algodoo探究复杂的物理问题，如探究抛体运动的最值问题[4]。Algodoo和高中物理融合的成果越来越多，融合的研究正逐步深入。
参考文献：
[1]乔永海.软件工具的可视化力在物理教学中的应用[J].物理教学探讨，2021，39（05）：49-51.
[2]乔永海.Algodoo软件的推进器在创设互动式运动情境中的应用[J].物理通报，2021（09）：119-123.
[3]乔永海.Algodoo制作物理课件的方法和技巧——以“圆周运动”为例[J].湖南中学物理，2021，36（03）：58-59+96.
[4]乔永海.用软件工具探究抛体运动的最值问题[J].物理教学探讨，2021，39（02）：46-48.
（栏目编辑 刘 荣）
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