Algodoo的圖像功能在物理教學中的應用

摘? 要：圖像問題是高中物理教學的重點和難點。用圖像可以描述物體運動中的物理量變化，具有直觀、信息量大等優(yōu)點。學生以圖像為工具可以認識運動和探究問題。Algodoo軟件能繪制各種機械運動物體的位置、速度、加速度、能量等變化的圖像，對圖像教學有重要意義。學生開始學習圖像時，要學習勻速直線運動和勻變速直線運動的圖像，Algodoo可以根據(jù)物體的運動情境實時繪制這些運動的位置和速度圖像。探究機械能守恒定律時，Algodoo可以繪制平拋或者自由落體運動物體的動能、勢能、機械能變化的圖像，從圖像上能直觀地發(fā)現(xiàn)規(guī)律，這是對傳統(tǒng)教學方式的補充。Algodoo能繪制許多新穎的圖像，如機械能-時間圖像、機械能-位置圖像、速度-位置圖像等，對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和綜合能力的提高有輔助作用。

關(guān)鍵詞：軟件工具;Algodoo;信息技術(shù);圖像;運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）10-0045-4

高中物理中，圖像有其重要的地位。用圖像來描述物理過程或情境，有直觀、全面和信息量大等特點，比如物體運動的速度圖像里蘊藏有速度、位移和加速度的信息。圖像對物理概念的認識和深入理解是有幫助的，如速度圖的斜率表示加速度，這是從幾何視角認識加速度的概念。圖像是分析問題的工具、呈現(xiàn)信息的載體，比如用圖像分析一個運動物體的動能、重力勢能和機械能的變化。Algodoo軟件能對一個物體運動過程進行實時圖像描繪，可以繪制的圖像有484種，操作簡單，對高中物理圖像教學有重要的輔助作用。

1? ? Algodoo在學生開始學習運動圖像時的應用

1.1? ? 研究勻速直線運動

高一物理第一章《認識運動》，是學生認識物體運動圖像的開始，包括位移圖像和速度圖像，以勻速直線運動的圖像描述為重點。

1.1.1? ? 勻速直線運動的位置-時間圖像

新建一個Algodoo 文件，開啟網(wǎng)格，選用“方框工具”在中線處創(chuàng)建物體A，默認中線為坐標原點，點擊物體后按動鼠標右鍵，在快捷菜單里選“材質(zhì)”，把“摩擦力（實際是動摩擦因數(shù)）”數(shù)值修改為零（以下簡化為“把摩擦力修改為零”），設置物體的初速度為2 m/s，創(chuàng)建的情境如圖1所示。

選擇物體，在快捷菜單里選擇“顯示圖表”，運行軟件，圖表中實時顯示物體的位置-時間圖像。運動一段時間后暫停，點擊“還原”圖標，物體回到初始位置。點擊“移動工具”，移動物體的初始位置，重復上述操作，獲得物體速度相同、初始位置不同時的位置-時間圖像（圖2）。同一物體的圖像會顯示在同一圖表上，便于對比。

1.1.2? ? 不同速度物體的位置-時間圖像

我們還可以改變物體的速度，來獲得同起點、不同速度物體的位置-時間圖像?？梢钥吹?，物體速度越大，對應的圖像斜率越大，如圖3所示。

1.1.3? ? 復雜運動過程的位置-時間圖像

如何完成復雜運動的圖像繪制呢？重復上述操作，運行1 s后暫停，修改物體速度為零，再運行1 s后暫停，修改物體速度為-2 m/s，運行1 s后暫停，獲得如圖4的圖像。圖像能描述這些復雜運動，顯示出圖像功能的強大，加深學生對圖像的認識。

1.1.4? ? 勻速直線運動的速度-時間圖像

改變圖表的縱坐標為速度，用上述方法可以獲得不同勻速直線運動的速度-時間圖像。軟件會根據(jù)圖像的特點自動設置縱坐標的起始位置，為了避免縱坐標不為零的情況發(fā)生，先設置物體速度為零，運行獲得圖線后，再繪制其他圖像，圖線的縱坐標起點就是零點了，如圖5所示。

1.2? ? 研究勻變速直線運動

勻變速直線運動是高中物理研究的重點，如何讓物體做勻變速直線運動呢？這要用到 “推進器工具”。修改物體的速度為零，讓物體位于坐標原點。選擇“推進器工具”，點擊物體中間，不要松手，拖動使推進器的箭頭朝右，釋放鼠標。設置推進器推力為1 N，如圖6所示。

1.2.1? ? 勻變速直線運動的位置-時間圖像

打開物體的圖像窗口，縱坐標選擇位置（x），運行軟件，獲得物體做勻變速直線運動的位置-時間圖像（圖7），是一條拋物線。勻變速直線運動的位置-時間圖像是一條曲線，這是傳統(tǒng)教學的難點。我們過去對于該圖像的教學設計是，新課學習時回避該圖像，在習題里滲透。結(jié)合該軟件引入勻變速直線運動的位置-時間圖像，順理成章，難點悄然突破，這是信息工具對教學方式改變的案例。

1.2.2? ? 勻變速直線運動的速度-時間圖像

設置推進器的推力為1 N，可以得到勻變速直線運動的速度-時間圖像。讓物體復位，改變推進器的推力為2 N，再繪制一條速度-時間圖像，改變推力為0.5 N，獲得對應的速度-時間圖像，如圖8所示。

1.2.3? ? 復雜的勻變速直線運動的速度-時間圖像

在物體上再安置一個向左的推進器，如圖9所示。左邊推進器L推力設為1 N，在屬性窗口里勾選“切換”，啟動鍵定義為h，該鍵將成為控制推進器的控制鍵。運行時，開始推進器不工作，按動h鍵后點火施加推力，再按動將停止施加推力。右邊推進器R推力設為1 N，勾選“切換”，啟動鍵定義為：g。

運行軟件，先按動h鍵，物體開始加速;一段時間后，再按動h鍵，物體勻速;一段時間后，再按動g鍵，物體減速，速度減為零時停止運行。獲得物體的速度-時間圖像如圖10所示。這里把物體的變速運動和推進器的推力聯(lián)系起來，對后續(xù)的牛頓定律的學習有鋪墊作用。力改變物體運動狀態(tài)的物理觀念是學生初中就具備的，因此，學生接受起來并不困難。

2? ? Algodoo在學生應用圖像解決問題中發(fā)揮的作用

熟悉了物體的運動圖像，今后的學習中就能夠以圖像為工具來探究規(guī)律和解決問題了。

2.1? ? 探究做自由落體運動物體的機械能守恒

新建一個文件，刪除水平面，創(chuàng)建一個球，球最好在縱坐標大于零的某一位置，關(guān)閉空氣阻力。打開物體的圖像窗口，橫坐標默認是時間，縱坐標同時勾選“動能（全部）”“重力勢能”“總能量”三項。運行軟件，當物體即將到達y=0位置停止運行，圖像窗口中同時繪制出物體自由下落時的三條圖線，如圖11所示。物體的動能越來越大，對應圖線甲;物體的重力勢能越來越小，對應圖線乙;物體的動能和勢能的總和不變，對應圖線丙，而且是水平的直線，說明物體的機械能是守恒的。

圖線以直觀的方式實時展示出物體運動過程中所需物理量的變化，便于探究規(guī)律，這對我們的教學方式會產(chǎn)生積極影響，一些昔日的教學難點可能會因為新信息技術(shù)手段的出現(xiàn)而化解。

2.2? ? 研究碰撞過程

在圖11的基礎(chǔ)上，在小球的下面繪制水平面，打開小球的圖像窗口，點擊“Y坐標”按鈕，選中“加速度（y）”， 可以獲得小球自由下落、碰地和反彈的加速度-時間圖像，如圖12所示。從圖像可以看出，小球碰撞地面時加速度突然變化，碰撞的時間是0.04 s。碰撞過程是極短時間發(fā)生的，平時教學中缺乏技術(shù)手段記錄這些數(shù)據(jù)，該軟件就起到重要的工具作用。

2.3? ? 研究彈簧振子的運動

簡諧振動是高中物理研究的較為復雜的運動，圖像能幫助學生認識簡諧振動。建立彈簧振子（圖13），關(guān)閉空氣阻力，設置摩擦力為零。

顯示振子的圖像窗口，獲得振子振動過程的速度-時間圖像（圖14）。降低演示速度能觀察運動過程的細節(jié)，這種實時的圖像記錄是學生探究未知運動的工具。如果開放空氣阻力，就能獲得阻尼振動的圖像。

3? ? Algodoo為學生創(chuàng)造性地使用圖像提供幫助

隨著學生認知水平的提高，我們還可以給學生介紹一些其他種類的圖像，橫坐標可以是其他量，這種“另類圖像”能打破學生的思維定式，對創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是有幫助的，下面舉例說明。

新建一個文件，創(chuàng)建一個小球，設置其彈性系數(shù)為1，關(guān)閉空氣阻力。打開小球的圖像窗口，橫坐標選位置（y），縱坐標選速度（x），運行獲得小球觸地反彈過程的速度-位置圖像（圖15）。這種圖像和橫坐標是時間的圖像是不同的，圖線不是向右延伸，而是一條往返曲線。

再舉例，一個物塊放在粗糙的固定斜面上，物塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)為μ，斜面傾角為θ，滿足μ<tanθ。給物塊一個沿斜面向上的初速度，物塊沿著斜面做勻減速直線運動，之后又向下做勻加速直線運動，其機械能隨時間的變化圖像如圖16所示。從圖像可以看出，物塊的機械能是不斷減小的，但減小的快慢有變化，物塊速度大時機械能減小得快，圖線斜率大;物塊速度小時機械能減小得慢，圖線斜率小。

學生一旦把圖像和運動聯(lián)系起來，就能夠從圖像上挖掘信息，有利于解決問題;圖像從不同側(cè)面描述運動，學生可以以此為工具來認識和研究運動。

Algodoo軟件的圖像橫坐標和縱坐標都有22種項目來選擇，學生可以任意選擇坐標軸的物理量，得到很多“好玩”的圖像來。我們可以布置“玩游戲”作業(yè)，讓學生繪制“新奇的圖像”來“難倒”其他同學，對激發(fā)學生的學習興趣很有幫助。

本文只介紹了Algodoo的圖像功能，其他功能對高中物理教學也有很好的輔助作用，例如，該軟件能顯示物體之間的作用力，用于可視化力的教學[1];利用軟件中的推進器可以模擬復雜的運動，輔助習題教學[2];利用液體流動的特點，演示水流星在不同速度下容器中液體的運動[3];利用Algodoo探究復雜的物理問題，如探究拋體運動的最值問題[4]。Algodoo和高中物理融合的成果越來越多，融合的研究正逐步深入。

參考文獻：

[1]喬永海.軟件工具的可視化力在物理教學中的應用[J].物理教學探討，2021，39（05）：49-51.

[2]喬永海.Algodoo軟件的推進器在創(chuàng)設互動式運動情境中的應用[J].物理通報，2021（09）：119-123.

[3]喬永海.Algodoo制作物理課件的方法和技巧——以“圓周運動”為例[J].湖南中學物理，2021，36（03）：58-59+96.

[4]喬永海.用軟件工具探究拋體運動的最值問題[J].物理教學探討，2021，39（02）：46-48.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）

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