利用Algodoo軟件判求理想化的物理運(yùn)動規(guī)律

王 清

（山東省章丘一中，山東 章丘 250200）

Algodoo是瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的一款獨特的2D仿真軟件.前身是瑞典一所大學(xué)計算機(jī)專業(yè)碩士Emil Ernerfeld為其導(dǎo)師Kenneth Bodin寫的一個名為Phun的程序，開發(fā)目的是為了讓物理教學(xué)和研究更直觀有效，其英文名稱是“2DPhysics Sandbox”，即“二維物理沙盒”.

Algodoo是在Phun的基礎(chǔ)上針對課堂教學(xué)做了優(yōu)化的一款虛擬物理實驗軟件.它給學(xué)生帶來了一個卡通式的創(chuàng)作平臺，科學(xué)地將教育與娛樂融合起來，學(xué)生可以充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，通過簡單的操作就可以快速的在電腦或電子白板上繪制物理模型.以趣味性的視覺效果展現(xiàn)物理原理，輕松地模擬物理情境，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入不一樣的物理科學(xué)世界，極大地激發(fā)了學(xué)習(xí)物理的興趣.

圖1

1 利用Algodoo軟件探究牛頓第二定律

圖1為魯科版教材對探究牛頓第二定律的實驗設(shè)置.這一實驗中，傾斜木板，讓小車的重力的分力平衡摩擦力.教參中強(qiáng)調(diào)，實驗時砂桶的重力應(yīng)遠(yuǎn)小于小車的重力，這樣的話，小車所受到的合力才能近似等于砂桶的重力.然而，如此設(shè)置的話，a必然極小，測量時的誤差肯定很大；反過來，若為了使a較大，易于測量，便需設(shè)置砂桶的重力接近小車的重力，但這樣一來，砂桶的重力與小車的合力又有著更大的誤差，因而這個實驗中，小車的加速度與所受合力實乃二律背反關(guān)系，無法一起測準(zhǔn).

下面我們嘗試使用Algodoo軟件解決這一難題.

（1）質(zhì)量一定時，探究合力與加速度的關(guān)系.新建場景，制作一木塊置于地面之上，設(shè)置各接觸面摩擦力為0（空氣阻力忽略），為木塊加上馬達(dá)（即推力），打開速度監(jiān)控圖表（圖2），開啟后，導(dǎo)出相應(yīng)的速度－時間圖像（圖3），至此研究對象（木塊）的質(zhì)量、合力、加速度均簡單準(zhǔn)確的得到了.調(diào)節(jié)推力大小，多次試驗，可以得到質(zhì)量一定時，合力與加速度的正比關(guān)系.

圖2

圖3

（2）合力一定時，探究質(zhì)量與加速度的關(guān)系.新建場景，制作一木塊置于地面之上，設(shè)置各接觸面摩擦力為0（空氣阻力忽略）（圖4），復(fù)制木塊，并分別名其為m1、m2、m3、m4、m5等，為使圖像更加清晰，物體間應(yīng)逐次拉開距離，打開m1的速度監(jiān)控圖像，開啟運(yùn)動，在監(jiān)控中得到一條折線（圖5）.此圖像就是研究對象的質(zhì)量逐次遞增情況下的速度－時間圖像，據(jù)此計算各段加速度，從而易于得出合力一定時，質(zhì)量與加速度成反比.

圖4

圖5

2 利用Algodoo軟件探究動量守恒定律

動量守恒定律是自然界普遍適應(yīng)的基本規(guī)律之一.它比牛頓定律發(fā)現(xiàn)得早，應(yīng)用比牛頓定律更為廣泛，然而它的應(yīng)用條件，“系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為0，這個系統(tǒng)的總動量保持不變”，決定了動量守恒定律，并非在實驗室中能夠?qū)崿F(xiàn)的定律.以下為高中階段教科書中的普遍采用的實驗裝置：利用斜槽上滾下的小球驗證動量守恒定律（如圖6）.

圖6

這種方案的設(shè)置，阻力的影響并不明顯，但在通過落點間接求解速度這一環(huán)節(jié)上，會產(chǎn)生較大誤差.利用Algodoo軟件探究動量定理，則尤為簡單.

新建一場景，并制作兩物塊，分別命名m1、m2（圖7），設(shè)置條件：各接觸面阻力為0，忽略空氣阻力.開啟速度顯示，勾選數(shù)值.給予左側(cè)m1一個任意大小的、水平向右的初速度，于是碰撞前后兩物體的速度，清晰可見.多次改變不同初始狀態(tài)，通過分析易得動量守恒定律.

Algodoo軟件還可以將運(yùn)動數(shù)據(jù)以電子表格的形式輸出，非常方便我們對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析.

圖7

3 利用Algodoo軟件演示抽象情境

學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)動學(xué)時，有些問題中的研究對象的運(yùn)動情境，很難想象，因而對題目的求解造成了障礙.對此我們可以借助Algodoo軟件簡單演示相應(yīng)情境.

圖8

例題.木板M靜止在光滑水平面上，木板上放著一個小滑塊m（圖8），與木板之間的動摩擦因數(shù)為μ，為了使得m能從M上滑落下來，求力F的大小范圍.

學(xué)生分析該題時，由于無法想象其運(yùn)動情境，對二者相對運(yùn)動與否無從判斷，因而也就無法判斷其受力情況.使用利用Algodoo軟件，可以十分直觀地演示二者的相對運(yùn)動情境.

新建一場景，制作兩物塊，并使其疊加.對下面木板加上動力，同時打開兩物體的速度監(jiān)控，調(diào)節(jié)推力大小，可得推力較小時，二者一起運(yùn)動；推力較大時二者相對滑動，木塊可以從木板上滑落（圖9）.

圖9

4 結(jié)束語

Algodoo是一款趣味性很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)物理仿真實驗平臺.學(xué)生可以用它來進(jìn)行虛擬實驗，驗證已知規(guī)律或?qū)嶒炞约旱脑O(shè)想.更為重要的是，Algodoo中虛擬實驗環(huán)境可以由學(xué)生自己來搭建，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下獨自進(jìn)行探究.這對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和探索能力都大有裨益，同時有助于學(xué)習(xí)由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，實現(xiàn)知識的遷移.