例谈Algodoo软件在高中物理教学中的应用*

2022-05-27李广富高永伟南亚亚陈泓宇

物理通报 2022年6期

关键词：过山车颗粒篮球

李广富高永伟何婧南亚亚陈泓宇

(宁夏大学物理与电子电气工程学院宁夏银川 750021)

1 前言

在高中物理教学中，由于以下原因：

(1)某些物理情境涉及理想实验，而理想实验无法用日常生活中的实验仪器来完成；

(2)某些物理情境具有时间短、速度快的特点(例如：蕴含“斜抛运动”相关知识的投篮过程)；

(3)某些物理情境需要借助价格昂贵的实验仪器来进行(例如：利用显微镜来观察布朗运动等)，导致不少物理情境在课堂上得不到充分的展示.

如果仅靠教师在课堂上口头描述这些物理情境，这也无法为学生提供一个直观感性的物理学习情境.

随着信息技术的高速发展和计算机网络的普及，技术与课程的整合成为教育信息化进程中的热点[1].2020年版高中物理课程标准也提到：通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界[2].由此可见，课标编写者也非常强调广大教师要将现代信息技术融入高中物理教学中，使学生能够更好地理解和学习物理.

Algodoo是由瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的仿真实验软件，不但操作非常简便，而且还可以模拟仿真出不同条件下的物理实验，更是具有强大的图表功能和能够将力可视化等优点[3].Algodoo软件的操作界面如图1所示.

图1 Algodoo软件操作界面

其中紫色框内的为场景工具栏，通过场景工具栏既可以新建和储存虚拟仿真情境，还可以浏览Algodoo官方网站上他人上传的虚拟仿真情境.红色框内的为控制菜单栏，通过控制菜单栏不但可以控制虚拟仿真情境的运行、暂停与还原，还可以设置虚拟仿真情境的环境设定(例如：利用Algodoo软件可以创建一个无空气阻力和无重力的情境).黑色框内的为编辑工具栏，通过工具栏中可以编辑、创建任意的物体(例如：篮球场、过山车等).黄色框内的为属性栏，通过属性栏可以改变所创建的物体的特性(例如：将创建的篮球的质量变小).

在难以利用实物创建相应的物理情境进行教学时，将Algodoo虚拟仿真软件融入到高中物理教学中，将能够为学生提供直观形象的物理情境，使得学生能够更好地建构物理知识和掌握物理规律.

2 Algodoo软件在高中物理教学中的应用

2.1 Algodoo软件在“斜抛运动”教学中的应用

投篮时，在忽略空气阻力的情况下，篮球的运动可看作斜抛运动，将学生很熟悉的投篮过程融入到“斜抛运动”教学中可使学生更加容易理解和掌握本节课的知识.但由于投篮的整个过程具有时间短、速度快的特点，且在现实生活中无法忽略空气阻力对篮球的影响，因此很难将投篮过程作为教学材料融入到“斜抛运动”教学中.Algodoo虚拟仿真软件具有能够模拟仿真出不同条件下的物理实验、实时显示物理量变化情况和能够记录物体的运动轨迹等优点.因此，利用Algodoo虚拟仿真软件将能够把投篮这个常见的斜抛运动实例融入到“斜抛运动”教学中.

斜抛运动的概念为：以一定的初速度将物体与水平方向成一定的角度斜向抛出，物体仅在重力作用下所做的曲线运动为斜抛运动.

图2为用Algodoo软件创建的忽略了空气阻力的模拟投篮情境.

图2 模拟投篮

图3显示了篮球即将抛出时的速度方向和受力情况.点击开始按钮，即可得到篮球从抛出到投入篮筐的运动轨迹，如图4所示.

图3 篮球即将抛出时的模拟情境

图4 篮球投入篮筐时的模拟情境

从图3和图4中可以明显看出：篮球的初速度方向与水平方向成一定的角度，且篮球在这个过程中只受重力作用，其运动轨迹为一条抛物线.综上所述，将利用Algodoo软件创建的忽略了空气阻力的模拟投篮过程融入到“斜抛运动”的教学中可使学生更加形象直观地理解并掌握斜抛运动的概念.

在讲授完“斜抛运动”的定义后，教师可先让学生利用在“平抛运动”的学习中所掌握的“化曲为直”的方法来讨论篮球在竖直和水平方向分别做什么运动.教师在学生讨论后，利用Algodoo软件的图表功能得到篮球水平、竖直方向分速度及水平、竖直方向分位移的变化情况，分别如图5～8所示.

图5中的篮球水平分位移变化图像为一条倾斜直线.

图5 篮球水平分位移变化情况

图6中的篮球水平分速度变化图像为一条平行于x轴的直线.

图6 篮球水平分速度变化情况

图5和图6表明：篮球在水平方向做匀速直线运动.

图7中的篮球竖直分位移变化图像为抛物线，说明篮球在竖直方向做匀变速直线运动.

图7 篮球竖直分位移变化情况

图8中的篮球竖直分速度变化图像为一条倾斜直线，正半轴的图像说明篮球先在竖直方向向上做匀减速直线运动，负半轴的图像说明篮球做反向的匀加速直线运动.

图8 篮球竖直分速度变化情况

图7和图8表明：篮球先在竖直方向做向上的匀减速直线运动，当速度变为零时，再做反向的匀加速直线运动，即篮球在竖直方向做竖直上抛运动.

最后教师可引导学生综合图5～8的结论归纳总结得到：斜抛运动可以分解为水平方向上的匀速直线运动和竖直方向上的竖直上抛运动.

综上所述， Algodoo软件不但能够模拟仿真出投篮的情境，同时能够利用其自身的图表功能和将力可视化的功能使得学生能够更好地理解斜抛运动的定义及斜抛运动的分解.

2.2 Algodoo软件在“布朗运动”教学中的应用

布朗运动需要借助显微镜才能进行观察，但很多中学的硬件设施条件非常有限，不是所有学校都配备显微镜这类价格昂贵的实验仪器，就算学校配备有显微镜，其数量也不多，教师难以在课堂上使每位学生都能利用显微镜来观察布朗运动.因此，导致不少教师在讲解布朗运动相关知识点时大多结合物理学史或相关视频来帮助学生进行理解和学习，但这样并不能够为学生提供一个直观感性的学习环境.而Algodoo软件能够模拟不同条件下的物理实验，且其还具有强大的图表功能.因此，利用Algodoo虚拟仿真软件将能够把“布朗运动”这个微观层面的知识点直观形象地呈现在学生面前.

布朗运动的特点主要包括以下几点：

(1)布朗运动是无规则的；

(2)颗粒越小，布朗运动越明显；

(3)温度越高，布朗运动越明显.

图9为用Algodoo软件模拟仿真的布朗运动场景，其中亮蓝色球体代表液体分子，黄色不规则物体代表小颗粒，粉红色不规则物体代表大颗粒，该装置还具有升高温度和降低温度的功能.

图9 模拟布朗运动

点击运行按钮，利用Algodoo软件的图表功能可得到小颗粒在一定时间内的运动情况，如图10所示.

图10 小颗粒运动情况

图10中显示小颗粒在这段时间内的运动路线是无规则的，教师可结合图10向学生表明：布朗运动是无规则的.

图11为大颗粒在相同时间内的运动情况，从图中可以看出：在相同时间内，大颗粒运动路程比小颗粒运动路程少得多.教师可结合图10和图11向学生讲授布朗运动第一个特点：“颗粒越小，布朗运动越明显”.

图11 大颗粒运动情况

提高容器内的温度，再次记录小颗粒在相同时间内的运动情况，如图12所示.

图12 温度升高时小颗粒运动情况

由图12可以看出：在相同时间内，提高容器内的温度，将会使小颗粒运动路程更长，而且其路线越无规则.教师可结合图10和图12向学生讲授布朗运动另一个特点：“温度越高，布朗运动越明显”.

综上所述，利用Algodoo虚拟仿真软件的图表功能可以将布朗运动的特点直观呈现出来，这将能够使学生对布朗运动的相关知识有更为直观感性的认识.

2.3 Algodoo软件在“机械能守恒定律”教学中的应用

过山车是学生非常喜爱的游乐园项目，如果在忽略一切摩擦的情况下，过山车将遵循机械能守恒定律，将坐过山车这个物理情境融入到“机械能守恒定律”教学中，将能够大大提高学生的学习兴趣.由于现实生活中的摩擦力和空气阻力对过山车的影响不可忽略，且难以记录过山车的动能和重力势能在运动过程中的变化情况，因此，很少有教师将坐过山车这个物理情境融入到教学中.而Algodoo软件能够模拟仿真出无摩擦的物理情境，且其图表功能能够显示相关物理量的变化情况.因此，利用Algodoo虚拟仿真软件将能够把坐过山车这个物理情境融入到“机械能守恒定律”教学中.

机械能守恒定律的内容为：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变.

图13为用Algodoo软件创建的忽略一切摩擦的过山车运动模拟情境.