物理互动学习系列动画实例.docx

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物理互动学习系列动画实例

互动学习系列软件之五动画课堂（5-1）动画实例-物理

1. 横波的叠加

1.1. 教学难点分析

  -教学难点

   两列反向传播的波相遇、叠加，是一个动态的过程。

由于波叠加的演示实验比较难做，而且一般演示实验的效果也较差，学生很难通过观察获得清晰、直观的感受，更无法进行定量研究。

教师一般只能带着学生观察一组静态的示意图进行讲解，引导学生想象动态图象，所以这部分的两个基本知识自然都变成了教学难点：

"两列波相遇后都保持各自的状态继续传播，相互通过；在二波重叠区域里，介质中任何一质点的总位移均等于各列波分别引起的位移的矢量和"。

  -难点剖析

   无法清晰观察到动态的波叠加过程是造成上述教学困难的本质原因之一，但更重要的是：

波叠加时每列波都淹没在叠加的波中，叠加区的质点在两列波的合作用下运动，因此即便观察到波叠加的动态图象也很难直观感受波的独立性和每列波对叠加的贡献。

1.2. 动画教学价值

   本教具软件运用科学动态模拟技术，可以在介质系统的波叠加运动中把两列原波分解并且同步地显示出来，通过对比观察叠加波和原波，使复杂的物理过程大大简化，让学生在动态的波叠加图象中直接看到波的独立性，甚至可以度量任意质点的叠加位移。

1.3. 动画教学功能

  -分解动态的波叠加图象，获得原波独立传播的直观观察

   本软件可以在动态的波叠加图象中将两列反向传播的原波分解出来，分别用不同的颜色显示，通过与叠加波的同步对比显示，可以直观地观察到在介质系统内叠加运动中隐含的原波的独立传播的动态图象。

通过任意调整两列波的参数，可以让学生进一步理解波的独立性是横波传播的普遍规律。

   为了加深学生的理解，还设计了脉冲波，可以让学生更清晰的看到两个反向传播的脉冲波相互穿过，互不干扰的奇特情景。

  -定量研究波的叠加原理

   在波叠加的动态情景上，可以选择任意的质点进行定量研究。

利用背景网格观察质点的位移和质点在两列原波上的"位移"，利用暂停、步进、步退功能在运动中对比研究它们之间的关系，直观地得出结论。

为了使研究更具普遍性，可以改变两列波的参数重复观察。

  -动态展示波的干涉情景

   调整两列波的频率，观察波叠加的动态图象的变化。

当二波频率相同时，观察到稳定的干涉图象，使用显示波形轨迹功能显示叠加波的轮廓，可以更清晰地看到干涉图象，使加强区与减弱区的位置一目了然。

1.4. 教学应用建议

  -先用脉冲波，播放相同横波叠加的过程，让学生感受叠加情景，了解波的独立传播原理。

  -让学生自行操作计算机，利用慢放、暂停、步进、步退等按钮，研究各波各点的位移与叠加波的位移的关系，总结出波的叠加原理。

  -再利用波长不等、振幅不等、相位不同的连续波以及脉冲波进行叠加，验证波的独立传播原理和叠加原理。

  -自做观察思考题，加深认识和理解。

2. 位移图像和速度图像的对比研究

2.1. 教学难点分析

  -教学难点

   位移图象与速度图象是教学的难点，学生一般熟悉用文字或公式描述物体的运动规律，而不习惯用图像进行表达，也不易识别图象的物理意义，更不善于从两个方面来描述同一运动的变化情况，在区别和对比中运用位移图象和速度图。

  -难点剖析

   图象是一种用来描述运动过程和规律的方法，这种方法本身既有形象直观的特征，又有抽象难懂的一面，学习时很少又很难将图线与实际运动情景相联系，突显图象抽象难懂的本质。

2.2. 动画教学价值

   本软件采用建模编程的方式展示，能随意设值，准确绘图，利于分析、判断与计算。

特有意让两个图线同时动态绘制，并与实物运动对比展示的方法，以利于区别位移图像与速度图象，增加感性认识，了解各自的物理意义。

还可中途改变速度或加速度的值，连续绘图，将图线的形状与物体的运动规律紧密的联系在一起，加深对图线的认识。

特别利于研究匀变速直线运。

2.3. 动画教学功能

  -可对应运动实物，同时绘制位移图象与速度图象，以加深对位移图象与速度图象的感受，弥补了常规教学的不足，利于了解图线的绘制，加深对图线的认识和理解。

  -绘图时可中途停顿，改变数据，继续绘图。

还可回零另画，利于多图对比。

  -具有隐藏修改数据的功能，利于启发思考，回答对照，特别适用于教师进行教学。

  -绘图方便，专设有回退按钮，利于准确绘图停于某点。

回零按钮，可使同一物体多次运行的不同图线，保留在同一画面上，以便对比。

  -选单一物体，可进行初步学习，了解图线的绘制、观察图线与物体运行的对应情况、了解图线的含义、联系物理规律计算结果；选两个物体，可同时运行，同时绘图，对比分析。

  -自行设置的数据、所绘图线，可另行保存打印，若中断研究，可随时再度取用，方便教学，利于学生合作学习、强调自主、强调交互、渗透探究思。

2.4. 教学应用建议

  -分别讲完位移图象与速度图象后，再用本软件，或作为复习对比归纳之用。

  -在讲匀变速运动的规律时，可用此软件绘制位移图象和速度图象，从不同角度使用不同的方法，加深对规律的理解。

  -在直线运动学完后，也可用于复习总结，最好设置一些问题，让学生自主学习，自行设置数据、自行绘图、分析图象、解决问题，得出结果。

3. 电场的叠加

3.1. 教学难点分析

  -教学难点

   电场的叠加是教学的难点，实践研究时，场电荷可以是多个，位置可以是多样，造成复杂的电场叠加情景，若引进检验电荷，求电场力，情景将更为复杂。

  -难点剖析

   研究对象是多个点电荷，研究的内容是点电荷产生的电场中某点的电场强度的叠加，难就难在电场强度概念比较抽象，叠加是矢量的合成，不是简单的加减，带有方向性，而且逐点不同，电荷、电场、电场强度都看不见摸不着，采用常规的教学手段，难以讲清说明，又难以用真实的实验进行实验研究。

3.2. 动画教学价值

   本动画软件采用科学建模编程制作，准确形象的描述电荷及其电场分布，电荷的数量可选，电荷的电量可改，研究点的位置可随意点选，并可将电场强度用箭头矢量随机画出，分量合成随处表达，为教学提供了可视、可动、可变的与实景相一致的模象直观，为难点的突破创造了条件，打下了基础。

3.3. 动画教学功能

  -可研究单个点电荷的电场分布特点

   将一个选定电性和电量的点电荷作为场电荷，放置于坐标平面的原点处，研究其周围各点的电场分布，可用鼠标随意点选，并可画出该点的电场强度矢量。

若同时引进检验电荷，还研究其所受电场力的情况。

  -可研究分布于一条直线上的两个点电荷的电场叠加

   将两个选定电性和电量的点电荷作为场电荷，放置于同一坐标轴上两个不同的位置，研究其周围各点的电场分布，还可寻找合场强为零的点。

若同时引进检验电荷，还可研究它受到电场力的情况。

  -可研究随意分布的三个或四个场电荷的电场叠加

   将三个或四个选定电性和电量的点电荷作为场电荷，随意放置于坐标平面上不同的位置处，研究其周围各点的电场分布。

若同时引进检验电荷，还可研究其所受电场力的情。

3.4. 教学应用建议

  -若教师用于讲解，可依次演示、提问、引导、观察、思考、回答、再演示、分析、得出结论。

  -使用时最好先向学生展示要研究的问题，介绍操作要领，让学生自行操作计算机，研究所要研究的问题，再汇报交流，得出结论，其效果更好。

4. 水面波的干涉

4.1. 教学难点分析

  -教学难点

   干涉现象是特殊情况下波的叠加，其中产生干涉的条件，干涉的特点是教学的难点。

特别是学生对于加强区和减弱区的理解，部分学生容易错误的认为：

加强区就是波峰相遇点，这一点总在波峰处；减弱区就是波谷相遇点，这一点总在波谷处；无论二波振幅是否相等，减弱区振幅总为零等，特别是对相邻峰峰相遇点与谷谷相遇点之间的联线点也是加强区不理解。

  -难点剖析

   造成以上难点的原因，是因为干涉现象的研究对象，是一个由众多质点组成的质点系，要形成干涉，还需要两列符合一定条件的波叠加形成，现象本身复杂，而且是一个在动态中形成的现象，动中有静，静中有动，平常少见又不易引起人们的注意，演示结果又变化闪烁，语言难以追踪动态的情景，造成语言与实物模象脱节，听觉与视觉不同步，致使学生理解困难。

4.2. 动画教学价值

   本软件采用科学建模编程制作，先三维立体形象的展示了波发生干涉的情景，以加深学生的感性认识。

再用二维平面观察二波叠加的现象，在二波满足干涉条件时，可展示加强区与减弱区，动态演示与暂停结合，还可改变波的频率进行演示，从而说明干涉的条件。

为了突破干涉特点和加强与减弱区条件的教学难点，特别设计对加强区与减弱区的细节研究，采取三项有效措施，一是可随意选点，二是步进步退，三是显示波程和波程差，从而变动为静，变粗为细，情景与数据结合，使模象直观与实物直观很好统一，从而突破教学难点。

4.3. 动画教学功能

  -利用三维动画展示波的干涉现象

   起到让学生更清楚地看到情景的作用，加深感性认识。

  -突出说明波"干涉形成条件"

   采用了改变频率的方式，结合干涉情景分别展示，让学生清楚看到，只有二波频率相等时，才可看到稳定的干涉条纹，弥补了一般常规演示的不足。

  -采用探究方式研究加强区减弱区形成的条件

   在干涉图样中，可显示出所选点的位置距二波源的距离及波程差，从而分析总结出加强区减弱区形成的条件，还可利用步进步退按钮研究干涉的细节。

4.4. 教学应用建议

  -动画作为实验的补充，要在实验的基础上，再用本动画进一步进行研究。

  -用动画进行研究时，可分为三步，第一步先感受干涉的情景，第二步了解干涉形成的条件，第三步进行加强区减弱区形成条件的细节研究。

  -在对细节研究时，最好让学生自行操作计算机，来研究加强区与减弱区的形成条件，自己总结出结论。

5. 正弦交变电流的产生

5.1. 教学难点分析

  -教学难点

   正弦交变电流的产生涉及到多种变化的因素，包含着复杂的物理过程；发电机的内部结构复杂，用实物难以看清结构的细节，用图片难以表达动态的过程，更无法看到线圈中电流交变的情景；描述交流电的几种方式比较抽象，用语言、文字、图表都难以准确地对应描述。

。

  -难点剖析

   发电机发电时产生的电动势随线圈位置逐时刻变化，是一个复杂的动态过程。

线圈转动的情景和所产生的交流电电动势用其它媒体都难以准确对应。

5.2. 动画教学价值

   针对学生感性知识不足、时空关系复杂、思维难度较大的教学内容，提供了适合学生学习水平的多媒体教学设计的平台。

通过立体图、平面图的动态对应，帮助学生建立正确的时空观念；通过立体图、平面图和生成交流电图像的对应，帮助学生建立发电过程逐时刻的因果对应关系；通过参量可点选，使学生掌握电动势最大值的决定性因素。

5.3. 动画教学功能

  -交流发电机原理

   动画采用发电机的立体简化模型，易于学生了解交流电产生的条件。

动态展示线圈的转动与电流表指针摆动的对应，突出交流电的特点，让学生感受交流电产生的情景，了解交流电产生的原理。

  -立体图与剖视图

   为了更清楚、更直接地表达感应电流的方向、磁场方向和线圈转动方向的关系，从而说明电表指针摆动的原因，即交流电是如何产生的，采用平面剖视图与立体实物图对应展示，相互补充，学习将立体实物图加以抽象，过渡到易于研究的平面剖视图的研究技巧。

  -变化规律

   采用立体实物图、平面剖视图、函数图象三位一体，逐时刻对应展示的方式，使学生对交流电有一个较完整、更清晰的认识，从而了解交流电变化的规律。

为此，动画还提供了自选磁感应强度、线圈匝数及线圈转动角速度的条件，供师生研究正弦交变电动势的最大值与哪些因素有关。

这种设计利于学生对于交流电知识的掌握和空间想象能力的培养。

5.4. 教学应用建议

  -最好先做演示实验，通过观察，归纳交流发电机发出的电所具有的特点（方向作周期性变化）。

再用本动画进行教学,感知交流电产生的条件和特点；对应分析交流电产生的机理；体会研究交流电的感生电动势与哪些因素有关。

  -使用时，要强调对应展示，相辅相成，在研究正弦交变电流的最大值与哪些因素有关时，最好能让学生亲自操作计算机，引导学生对照动态画面进行充分的交流、讨论。