Algodoo软件的推进器在创设互动式运动情境中的应用*

乔永海

(惠州市实验中学 广东 惠州 516008)

情境的创设对课堂教学具有引领作用，也是考试评价的载体.运动和相互作用在高中物理知识体系中处于核心地位.运动和相互作用在运动的合成、电学、航天等领域都有重要应用，由于高中实验条件的限制，有的实验目前尚无条件实施.Algodoo软件能够仿真模拟很多运动，用好该软件的“推进器”工具，能够创设十分丰富的运动情境，在新课讲授、习题讲解、科学探究等方面有重要用途[1].下面先介绍Algodoo软件的“推进器”工具，然后介绍应用推进器创设运动情境的案例.

1 Algodoo软件的“推进器”工具简介

Algodoo软件的推进器是对物体施加持续推力的工具，可以放置于物体上作为施力工具.推进器可以设定的物理量有推力的大小、方向.在推进器的属性框(图1)内，可以手动修改力的大小.复选框“推进器跟随几何体旋转”，默认是勾选，如果勾选该项，物体转动时，推进器会随之转动，可以实现物体的转动；如果不勾选该项，推进器的施力方向不变.属性框启动键右边是热区，点击热区，然后按动键盘的某一键，比如“r”键，运行时，持续按下“r”键，推进器施力，松开后不施力.如果勾选“切换”复选框，“r”键就成了推进器启动、关闭的切换键.本文课件创建的推进器属性中均勾选“切换”复选框，下文不再赘述.

图1 推进器设置

2 用“推进器”工具创建物理情境的案例

有了推进器工具，就可以对物体施力，从而使物体产生相应的运动，对动力学问题情境的创建和研究有辅助作用，相当于一个虚拟实验室.

2.1 力对物体速度的改变

力对速度的改变可以从两个方面考虑，力和速度共线时，力只改变速度的大小.具体可以分为两类，力和速度同向时，物体速度增加，力和速度反向时，物体速度减小.如果力和速度垂直，该力只改变速度的方向，不改变速度的大小，以上运动情境的创建过程如下.

(a)力和初速度同向

(b)力和初速度反向

(c)力和初速度方向成钝角

(d)力和初速度方向成锐角

2.2 双质点在斜面上的运动

在平时的习题教学中，会遇到新颖的运动情境，我们难以找到现成的模拟课件仿真这些情境，教师掌握几种制作模拟情境软件的技能显得十分必要.下面以2021年1月的“8省联考”广东卷的压轴题为例说明.

【题例】(2021届8省联考广东卷压轴题)如图3所示，固定的粗糙斜面，倾角θ=30°，斜面底端O处固定一个垂直斜面的弹性挡板.在斜面上P和Q两点有材质相同、质量均为m的滑块A和B，A和B恰好能静止，且均可视为质点，Q到O的距离是L，Q到P的距离是kL(k>0).现始终给A施加一个大小为F=mg、方向沿斜面向下的力，A开始运动，g为重力加速度.设A与B之间以及B与挡板之间的碰撞时间极短，且无机械能损失，滑块与斜面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力.求：

(1)A和B第一次碰撞后瞬间它们的速率分别为多少；

(2)A和B第一次碰撞与第二次碰撞之间的时间.

图3 8省联考广东卷压轴题图

本题的物理过程是，物块A在推力作用下加速，与物块B发生弹性碰撞后交换速度，之后物块B向下匀速，物块A在推力作用下从速度为零开始再加速，物块A可能在B向下匀速阶段再次碰撞B，物块A或在物块B碰挡板反弹后再次碰撞B.A与B之间的初始距离是一个关系后续运动不同的变量.该过程可以用Algodoo软件来创建，初学者按照下面的制作流程操作即可获得满意的探究情境.

图4 8省联考广东卷压轴题情境创建

不同初始位置二次碰撞的位置不同，仿真模拟结果如图5所示.

(a)初始位置k<0.4

(b)k<0.4时二次碰撞位置

(c)初始位置k=0.5

(d)k=0.5时二次碰撞位置

(e)初始位置k=1

(f)k=1时二次碰撞位置

(g)初始位置k=2

(h)k=2时二次碰撞位置

有了对各种运动可能性的认识，再分类进行讨论，即k<0.25，B向下运动时被A二次碰撞；k>0.25时，B反弹后和A发生二次碰撞.具体讨论和运算这里不做赘述.

2.3 模拟飞行器的运动

无人机在军事、科研、农业等领域有广泛的应用，操纵无人机的运动可以在Algodoo软件里实现，这会给学生认识力和运动的关系提供感性认识.新建一个Algodoo文件，设置重力加速度为g=10 m/s2,创建一个正方体代表飞行器，如图6中的正方形物体，质量设为m=1 kg，为它安放4个推进器，向上施力的有推进器A1和推进器A2，推进器A1的推力大小设定为F1=10 N,推进器A2的推力大小设定为F2=0.5 N.这样设定的目的是，仅仅开动推进器A1时物体受力平衡，能完成悬停或做匀速运动，此时再启动推进器A2，F2即为物体受到的合外力.左右两边的推进器A3和A4的推力大小分别设定为F3=F4=0.5 N.再为4个推进器分别设定各自的启动、关闭切换键.下面是对飞行器进行操纵使其完成对应的运动.

图6 飞行器和推进器模型

2.3.1 合力为零的物体沿着初速度的方向匀速运动

学生常有这样的不全面归纳：合力为零的物体总是沿着某个力的方向匀速运动.我们通过以下演示可以让学生形成思维冲突，从而矫正错误并形成正确结论.

图7 飞行器的运动1

2.3.2 创设物体在周期力作用下的运动

图8 飞行器的运动2

2.3.3 设计游戏让学生体验力和运动的关系

图9 操纵飞行器的运动

2.4 发射卫星的尝试

我国的航天事业在国际上居于领先地位，这是我们引以自豪的大国工程.发射卫星是十分专业的事情，高中实验室尚无条件完成这些实验.Algodoo软件能够为我们制作仿真卫星发射的模拟器.设计的关键是，把运行环境的万有引力常数设定为1，关闭重力和空气阻力，这样一般物体之间就有了引力，这些物体可以模拟天体.我们为卫星安置不同方向的推进器，就可以让学生操纵推进器完成卫星发射了.如图10是学生发射卫星的情境图，图(a)是发射失败的案例，图(b)是发射成功的案例，图(c)是深空探测轨道，图(d)是二次点火的变轨轨道.该课件还可以模拟嫦娥5号在月球表面起飞的情境.

图10 “发射卫星”的几次尝试

科学思维是高中物理学科素养的核心要素之一，科学思维依赖想象，而想象有赖于情境的丰富和体验的积累[1]. “给我一个支点，我能把地球撬起来”，这是阿基米德的想象.当学生天马行空的想象能够被模拟和仿真，让想象得以验证，就会激励学生更加大胆地想象[2]，有利于创新人才的培养.