新冠疫情下“停課不停學”的大學物理GeoGebra仿真單擺實驗

何秋靜,楊文韜,王曉雅,支啟軍

(1.貴州師范大學 物理與電子科學學院,貴州 貴陽 550000；2.六盤水師范學院 物理與電氣工程學院,貴州 六盤水 553004)

2020年春，各高等學校積極響應“停課不停教、停課不停學”的要求，在疫情防控中充分利用已有課程積累和網絡資源，積極開展線上授課和線上學習等在線教學活動[1-3]。在此背景下，本文采用GeoGebra 5.0軟件開發(fā)了手機和電腦都可以實現小球做單擺實驗的過程。GeoGebra是為小學到大學的教學而設計的開源動態(tài)數學軟件，GeoGebra針對不同的數學物件，提供不同的視區(qū)。不同的視區(qū)提供各自適用的工具列，包含了特定的工具、指令以及內建函數與運算子，使用者可以運用不同表征的數學物件，來創(chuàng)造動態(tài)結構。根據GeoGebra軟件的特點，用來做物理仿真實驗，可以作為物理教學的一個工具，下面以單擺為例，利用GeoGebra軟件實現單擺實驗的演示與仿真。

如果把懸掛的小球(擺球)自平衡位置拉至一邊(擺角θ<5°)，然后釋放，擺球即在平衡位置左右做周期性擺動，這種裝置稱為單擺[4]。單擺做簡諧運動，單擺的周期與擺球質量無關，在振幅較小時與振幅無關，但與擺長有關，擺長越長，周期也越長[5-7]。單擺原理在高中甚至大學物理中占據著重要的地位，故弄清單擺的原理及特點是非常重要的。本文利用GeoGebra 5.0軟件制作了小球做單擺的演示實驗，在設計過程中嚴格遵循單擺的原理，運用微分方程推導出擺球擺動的函數關系式，提高仿真實驗的可信度。學生在操作過程中，可以更深入的掌握單擺的原理，甚至比真實實驗更加鍛煉理論推導能力。

1 實驗原理

單擺是理想的物理模型，由理想化的擺球和擺長組成，擺線的質量不計，不可伸縮[8]。

(1)如圖1，擺長為L，小球受力為：重力mg和繩子的張力T。將重力進行正交分解，重力mg可以分解為沿圓弧的切向和徑向的兩個力,L與垂線的夾角為θ,小球的位移為x。

圖1 單擺的受力分析圖

(2)根據牛頓第二定律，可以列出小球在切線方向上的運動方程：

切線方向的微分方程為：

(1)

方程兩邊消去質量m得：

(2)

(3)

(4)

在切線方向小球僅受切向力，由(2-1)式可知

(5)

由Fτ=maτ

(6)

由圓周運動公式可知：aτ=ω2x

(7)

(2-7)式即簡諧運動的微分方程

解微分方程得：θ=θ0sinωt，或θ=θ0cosωt

(8)

綜上所述，單擺的擺動近似是簡諧運動[9]。

2 用GeoGebra仿真單擺實驗過程

2.1 單擺仿真實驗的動態(tài)平面設計

GeoGebra是一款專門為理科生設計的動態(tài)數學軟件，GeoGebra軟件類似于幾何畫板式的幾何工具，它結合“幾何、代數、微積分”，可在上面畫點、向量、線段、多邊形、圓錐曲線、甚至函數[10]。通過單擺原理的理論推導，可知圓頻率ω與擺長L有關，因此在設計過程中定義小球的數學函數是關鍵。

圖2 單擺的動態(tài)平面效果圖

在3D繪制區(qū)中，基于單擺在平面坐標系的設計步驟，可繪制出單擺擺動的立體效果，單擺3D效果圖如圖3所示。

圖3 單擺的動態(tài)立體效果圖

2.2 單擺仿真實驗的正弦函數設計

單擺的擺角很小時，質點的運動可以近似的看作簡諧運動，簡諧運動的狀態(tài)可以用正弦函數來描述。

首先定義向量u[(0,-2),(3,-2)],作為時間t軸，再定義向量v[(0,-2.5),(0,-0.5)],作為y軸。定義動點D(0.04t,-2+0.2lsin(ωt)),作為小球的運動情況。定義時間t1:t1=0.01t。最后定義曲線j[0.04t1,-2+0.2lsin(ωt1),t1,0,t],作為正弦曲線。單擺的正弦函數圖像如圖4所示。

圖4 單擺的正弦函數圖像

3 仿真實驗的分析與總結

在GeoGebra平臺上設計單擺實驗的過程不僅要掌握單擺擺動的簡諧運動規(guī)律的理論知識，還要具備數學的邏輯能力。在制作仿真單擺實驗的過程中總結出了GeoGebra5.0軟件作為輔助教學的一些優(yōu)點。

3.1 操作簡單，調試方便

GeoGebra 5.0軟件是定義數學物件來創(chuàng)造動態(tài)結構，平常所用到的線段、圓、曲線等，可直接用中文輸入代數區(qū)，中文輸入后就會顯示所對應的數學格式，在繪制過程中只需把數字插入即可。在工具欄上的滑動條，可根據所設置的變量，在區(qū)間內隨意調試，這樣可看見不同情況下的實驗效果，進而可以記錄所對應的數據，這與真實實驗收集多組數據的操作是一致的，且導出手機后可隨時觀看實驗效果，可見GeoGebra平臺有平易近人的特點。

3.2 仿真實驗與真實實驗融合度高

圖5 小球擺過和個周期的時間圖

在單擺實驗中最關鍵的就是控制擺角小于5°，在真實實驗實驗中運用工具是比較容易實現的，在GeoGebra平臺上如何保證小球的擺動幅度在5°以內呢？經研究討論，結合單擺的擺動的理論知識，單擺的擺角與擺長有關，且由(8)式可知擺角是關于時間的正弦函數，故可在2.1單擺仿真實驗的平面設計步驟中，起初定義點B的坐標為(1.3+0.2lsin(ωt),1.1-l)，但發(fā)現當l取很小時，擺度過大，已經不是單擺過程，從仿真來看，小球已經離開圓c運動，或者說圓軌跡運動與直線運動的簡諧振動已經不重合，如圖6對點B定義的效果圖(a)所示。經研究討論后定義點B的坐標為(1.3+0.1lsin(ωt),1.1-l)，這樣可以始終保證小球的擺動幅度在5°之內，如圖6對點B定義的效果圖(b)所示。

(a)

3.3 提高數學的邏輯思維能力

由于GeoGebra5.0軟件是用數學公式來指令動態(tài)結構，所以在GeoGebra平臺上做仿真實驗時，要具備數學的邏輯思維。例如，在做單擺仿真實驗的正弦函數設計時，小球擺動的時間為80時，正弦函數圖很長，不能體現小球擺動的實際運動情況，且影響美觀，如圖7所示。

圖7 單擺的正弦函數圖

由于正弦函數圖像太長，即x坐標太長。解決的方法就是壓縮，怎么壓縮函數？這就要運用數學方面知識以及邏輯思維能力，單擺繪制的正弦曲線采用參數方程繪制，將x的參數乘以一個小于1的倍數，y坐標不變就可以把函數圖像的x軸壓縮，從而把很長的時間壓縮到一個較短的坐標軸上，如圖8所示。

圖8 單擺的正弦函數圖

4 結 語

本文利用GeoGebra 5.0軟件實現了小球單擺實驗的演示與仿真，對本實驗中擺角的控制以及單擺的正弦曲線進行了巧妙設計，這將有助于學生加深對小球做單擺運動規(guī)律的理解。此外，GeoGebra 5.0軟件在小學至大學中作為一種輔助教學工具，在未來有很大的發(fā)展前景。不管是教師將GeoGebra 5.0軟件制作的動畫用于教學，還是學生拿來作為課前預習的實驗,這對于物理概念和物理規(guī)律的掌握以及運用都有很大的幫助。