制作较为复杂的仿真物理实验室课件.docx

1、制作较为复杂的仿真物理实验室课件第二节 制作力学课件【实验1】： 简单的受力分析目的：学会显示矢量，借助仿真实验室分析物体受力情况。器件：“运动对象”、“悬挂细线”、“平板”、“斜面”。步骤：1. 运行仿真物理实验室主模块，新建一个实验项目。设置坐标比例为0.5米，确定好坐标系。2. 点击工具栏上的“”按钮，在“实验设置”对话筐中，选择“考虑重力作用”。不要选中“显示坐标格”，这样，在实验区中将不会显示坐标的网格。3. 在实验区中，放置一个运动对象，设置质量为1千克，半径为0.04米。点击“运动对象设置”窗体中的“动态显示”按钮，弹出对话筐。选中“显示重力矢量”，然后按“确定”按钮。 图6.1

2、0 图6.114. 再在实验区中，放置一个运动对象。并设置让它显示出“绳子和刚杆的力”的矢量。接下来要使用一根绳子把它给悬挂起来。先在“器件箱”中点击“悬挂细绳”，然后在实验区中用鼠标点击要被悬挂的运动对象。再在实验区的某个位置上点击一下鼠标，把细绳的另一端，固定在这个位置上。在弹出的“悬挂绳子设置”对话筐中按“确定”按钮。在操作的时候，可以注意窗体下方“状态栏”中的提示。如图6.10所示。5. 还可以用多根绳子，悬挂一个运动对象。方法和步骤4是一样的。运动对象上显示出的绳子的拉力矢量，是经过力学计算得到的结果。如图6.11所示。6. 把一个木块放在一个平板之上。首先，用“器件箱”创建一个平板

3、，放在实验区中。设置它的参数，质量1千克，长1米，高0.1米。再点击“器件箱”中的滑块，用鼠标点击实验区中要放置滑块的那个平板。在弹出的对话筐中，设置滑块质量：1千克，长度、高度都是0.15米。在“动态显示”中选中“显示支持力”。如图6.12所示。图6.127. 用与步骤6同样的方法，把一个木块放在一个斜面上。在木块上点击鼠标右键，在“运动对象窗体”中选择“动态显示”对话筐，选中“显示支持力”、“显示重力矢量”和“显示合外力矢量”，然后按“确定”按钮。8. 力矢量显示的比例和显示的颜色都是可以设置的。在“实验设置”对话筐中点击“矢量显示设置”按钮，弹出“矢量显示设置”对话筐。 图6.13 图6

4、.14在这个对话筐中可以对运动对象的速度、加速度和力的矢量比例及颜色进行设置。修改颜色时，先用鼠标点击对应的矩形色块，从弹出的颜色设置对话筐中，选择新的颜色，再按“确定”按钮。反思：放在实验区中的各种器件，可以改变位置，也调整它的参数。用鼠标的左键点中实验区中的器件不放，然后拖动鼠标，再送开鼠标左键，器件就被放在了新的位置上。用鼠标的右键点中实验区中的器件，就会弹出一个菜单。点击弹出菜单中的“属性”，就会弹出与器件对应的属性设置窗体，从中可以重新设置它的参数。受力分析是力学甚至整个物理学的基本技能。如何利用“器件箱”里的“滑块”和“平板”探究静摩擦力的大小？【实验2】 胡克定律目的：了解定义变

5、量，了解程序编辑。器件：“悬挂弹簧”、“动态显示”、“变量编辑器”、“程序编辑器”、“动态注释”。步骤：这是一个以弹簧为例，讲述胡克定律的课件。制作课件时需要涉及“变量”和“程序”的使用。图6.151. 新建一个实验项目，设置坐标的比例尺为0.5。2. 设置白色背景颜色。点击“编辑”菜单中的“设置底色”命令，在弹出的颜色对话筐中选择适当的颜色。3. 设置显示弹簧的弹力。在实验区中放置一个运动对象，设置它的参数为：质量1千克，半径0.05米，位移x=0.8，y=0。在“运动对象设置”窗体的“动态显示”中，选中“显示弹簧的弹力”。4. 创建弹簧。从器件箱中创建一个“悬挂弹簧”，一端连接这个运动对象

6、，另一端放在坐标的原点上。设置弹簧的倔强系数为100牛/米，原长为1米，作用条件选择“双方向作用”。这时，用鼠标拖动那个运动对象，对象上就显示出了对应的弹簧的弹力。图6.165.为参数定义变量。为了使课件有较好的数据表达能力，首先要为参数定义变量。在运动对象上点击鼠标右键，选取“属性”命令。在“运动对象设置”窗体中点击“自定义变量”按钮。在弹出的这个窗体中，可以为这个运动对象的各种参数定义变量。定义后的变量可以在程序中使用，也可以用动态注释进行输出。图6.17为这个运动对象的位移分别定义为x、y，然后点击“确定”按钮。注意，变量是不能重复的。6. 用变量编辑器定义新变量。点击“程序”菜单里的“

7、变量编辑器”命令，随之弹出“变量编辑器窗体”。为了计算的方便，还要定义几个相关的变量。 图6.18在“变量编辑器”的上方，输入“变量名称”、“初始值”，然后按“添加”按钮，这个变量就定义完成了。在这里要定义变量“d”用于表示小球到坐标原点的距离；“dl”表示弹簧的伸长；变量“f”表示弹簧的弹力。然后点击“关闭”按钮。7. 用程序编辑器定义弹力f。点击菜单栏“程序”的“程序编辑器”命令，弹出“程序编辑器”窗体。输入以下程序，然后点击“确定”按钮。 d=sqrt(x*x+y*y) dl=d-1 f=dl*100 图6.198. 用动态注释输出弹簧伸长量dl和弹簧弹力大小f。用鼠标左键点击“器件箱”

8、中的“动态注释”，然后再在实验区中点击一下左键，在弹出的“注释设置”对话筐中输入以下注释：“弹簧伸长 = dl 米”。同样再创建一个“注释设置”，其中输入“弹簧弹力 = 弹簧的伸长*倔强系数 = f 牛顿”。点击“确定”按钮。图6.209. 运行课件。如果觉得运行的太快，可在“实验设置”对话筐中把“实验最小扫描时间”设置成0.0001秒，即可提高计算精度，从而降低运行速度。【实验3】： 匀速直线运动目的：绘制底图，使用贴图，绘制实验曲线，制作速度调节棒，制作按钮。器件：“使用贴图”、“实验数据曲线”、“辅助点设置”、“动态注释”。 图6.21步骤：1 用绘图软件绘制底图。这幅底图上有蓝天、公路

9、和几棵树。2创建坐标系。用仿真物理实验室主模块，新建一个实验项目，设置坐标的比例为10米。把坐标原点放置在实验区偏左的位置上。3创建汽车。用鼠标点击“器件箱”中的“运动对象”，然后在实验区点击鼠标左键，创建汽车。在“运动对象设置”窗体“物理属性”中设置：质量1000千克、初位移x=0、并具有初速度Vx=5米/秒。在“运动对象设置”窗体“外观属性”中点击“使用贴图”，然后再点击“加载贴图”按钮，从弹出的打开图片的对话筐中，选择某个汽车图片。软件中自带了一些小图片，在安装目录的“图片”文件夹中。打开“汽车”这个图片。 图6.22 图6.23 图6.24所有的bmp图片都可以作为贴图来使用。然后选中

10、“背景透明”，并把背景色设置成白色。这样，贴图中白色的部分将被处理成透明的。点击“确定”按钮。在“运动对象设置”窗体的“动态显示”中不要选“显示运动轨迹”。4动态显示小汽车的速度和位移。首先给运动对象的参数定义变量，定义它的“位移 x 分量”为变量“x”，“速度 Vx 分量”为变量“vx”。然后使用动态标签，以中加入变量的方式把变量的值表现出来。再次运行实验，小汽车的速度，位移就动态的被显示出来了。5用“实验曲线”来分析汽车的运动规律。实验数据曲线的绘制，是仿真物理实验室中的一种数据输出与分析方法。用鼠标点击工具栏上的“实验数据曲线”按钮 ，弹出“实验数据曲线”对话筐。 图6.25首先，要选择

11、绘制哪个运动对象的曲线。 点击“对象设置”按钮，选中“运动对象1”。 图6.26然后根据要绘制的曲线调整“实验数据曲线”窗体中的各种参数：选择横坐标和纵坐标，并设置它们的比例，保障在坐标系范围之内绘制曲线。在这个课件中，让纵坐标表示位移x，比例为10米/格；横坐标表示时间t，比例为2米/格。点击“实验数据曲线”窗体上的运行按钮 ，曲线便随着实验的运行绘制出来。可以改变小汽车的速度，看看曲线的变化情况。绘制出来的曲线可以保存为bmp图片。6用辅助点制作速度调节棒。首先从器件箱中，创建出一个辅助点，放置在实验区中。 图6.27在“辅助点设置”窗体中“名称”填下“速度调节棒”；“动态显示”中填入“速

12、度调节棒：vxm/s”；把辅助点的颜色设置成天蓝色。再在“辅助点设置”窗体中选中“显示矢量”，设置矢量比例为5。在“X Y 变量”一页中，有两个下拉选择筐，其中有已经定义的变量。下面要把定义的变量与这个辅助点矢量的X、Y值关联起来。在这个课件中，选择变量vx与辅助点矢量的X相关联。再按“确定”按钮。这样在实验区中，带有矢量的辅助点就显示出来了。用鼠标的左键点中辅助点的矢量箭头不放，滑动鼠标，可以改变辅助点的矢量，小汽车的速度便随之而改变。图6.28 图6.29用这种方法调节运动的参数，能使制作的课件具有更好的交互性。7用“动态注释”制作“运行”、“暂停”和“停止”按钮。首先从“器件箱”创建一个

13、“动态注释”，在“注释设置”窗体中输入注释“运行”，选中“显示边框”（这样可以体现出按钮的外观），然后再点击“编辑程序”按钮。图6.30弹出“程序编辑器动态标签点击事件”对话筐。在这个对话筐中，要输入一些程序，在鼠标点击这个动态标签时将触发这些程序。在这里输入程序“重新运行”。然后点击“确定”按钮。 图6.31在编辑状态下（实验没有运行的时候），用鼠标双击这个动态标签，实验就会重新运行。而在实验运行过程中，用鼠标左键单击这个动态标签就可以了。用同样的方法，再创建出“暂停”和“停止”按钮。总之，通过制作这个课件，学习了使用背景图贴图的方法让课件制作的更漂亮；通过辅助点，使课件具有更好的交互性。还

14、学习了如何制作按钮，并用按钮来控制的实验。掌握这些方法后就能制作出专业而漂亮的物理课件。【范例6】： 飞机投弹飞机投弹的例子向演示了飞机在飞行中空头炸弹的情景。很多的学生都没有真正的看到过飞机是如何投弹的，用仿真物理实验室可以看到这个过程。 图6.32目的：理解惯性、理解程序编辑。器件：“调整”、“程序编辑器”。步骤：1 新建一个实验项目，设置坐标的比例为100。2在“实验设置”窗体中，选中考虑重力作用。3创建一个运动对象，把它当作飞机。设置参数为：质量1千克，水平初速度Vx为80米/秒。再给它一个人为外力Fy=9.8牛顿，这个力用于平衡飞机受到的重力。把它放在坐标（0，0）的位置上。再给这个

15、运动对象贴上一张飞机的图片（在安装目录下“图片”文件夹下有飞机的图片）。4现在已经有飞机了，下面就来做几个炸弹。再创建一个运动对象。设置它质量为1千克，半径为5米（太小了演示效果不好），水平初速度为80米/秒，人为外力Fy=9.8牛顿。给这个对象起名为：“运动对象2”。再给这个对象的参数定义变量，定义“外力变量 Fy 分量：”为fy2。 图6.33在程序中指定的时刻，把炸弹的外力给撤除，即把fy2设置为0，这样炸弹就开始做平抛运动了。5用同样的方法，再创建出几个“炸弹”。分别给它们定义“外力 Fy 分量：”的变量。6把这些“炸弹”也都放在坐标（0，0）的位置上。运动对象叠在一起时，用鼠标选中其

16、中一个是不方便的。还有一种方法可以选中指定的对象并调整它们的参数。用鼠标点击工具栏上的“调整参数”按钮 ，弹出“调整参数”对话筐。 图6.34左边一栏，是对象类型。点击“运动对象、滑块”，右边一栏会列出相应的具体对象的名称，选中后按“调整”按钮，就弹出了指定对象的属性窗体，可以调整参数了。7 下面来编写程序。点击“程序”主菜单中的“程序编辑器”，弹出系统时钟事件的程序编辑器。在编辑器中，输入以下的程序。斜体字是对程序的说明。 判断1:如果(t=0.5 )则执行 fy2=0 结束判断1判断1:如果(t=1.5 )则执行 fy3=0 结束判断1判断1:如果(t=2.5 )则执行 fy4=0 结束判

17、断1判断1:如果(t=3.5 )则执行 fy5=0 结束判断1判断1:如果(t=4.5 )则执行 fy6=0 结束判断1判断1:如果(t=5.5 )则执行 fy7=0 结束判断1判断1:如果(t=6.5 )则执行 fy8=0 结束判断1判断1:如果(t=10 )则执行 简单发声 重新运行 结束判断18现在就可以运行实验了。反思：图6.35仿真物理实验室是一个自由的物理模型搭建平台，可以尽情的发挥想象力和创造力。再辅以适当的程序，对运动对象的参数进行控制，能让的课件锦上添花。在实验6的基础之上，还可以考虑进一步完善课件。比如如何制作空中浮云？如何制作其中一颗炸弹击中汽车？（提示1：创建一个运动对

18、象，其上贴上云朵图，并设置竖直向上的力以及水平向右的速度，即可制作浮云。提示2：创建一个运动对象，取名字为“爆炸”，其上贴上爆炸图案，通过运用程序编辑器控制其变量“爆炸.visible”的值为“1”或“0”，从而实现爆炸图案的出现与消失时间，实现爆炸效果，如图6.35所示。） 【实验7】： 探究牛顿第二运动定律牛顿第二定律是建立在实验基础上的物理规律。在真实实验探究之前，给学生创设仿真虚拟环境，进行数据探究，培养数据素养，以提高真实实验的教学效率。 图6.36目的：引导学生自主探索力与加速度的关系。器件：“动态注释”、“Excel”。步骤：1. 新建一个实验项目，设置坐标比例为10。2. 创建

19、三个运动对象，设置它们的质量分别是1千克、2千克、和3千克；受到的外力Fx分别是1牛顿、2牛顿、3牛顿。你可以给它们设置不同的颜色和半径，以区分这三个运动对象。再分别给这三个运动对象的“加速度 ax 分量”和“外力 Fx 分量”定义对应的变量。3. 用“动态注释”把这些定义的变量表示出来。4. 再创建三个辅助点，分别用它们的矢量关联“外力 Fx 分量”所对应的变量。选择适当的辅助点矢量显示比例。5. 这样，这个课件就创建完成了。可以通过拖动辅助点上的矢量来改变运动对象上受到的外力。然后运行课件，运动对象就以a=f/m的加速度做匀加速直线运动了。6. 通过数据探究，发现小球加速度ax 分量与外力

20、Fx分量的定量关系。反思这个课件的价值是让学生利用这个课件，进行探索性的学习。希望能激发学生的学习兴趣，让学生从被动的学习转为主动的学习。仿真物理实验室正是立足于此，为老师与学生提供一种探索物理世界的工具。【实验8】 匀速圆周运动制作匀速圆周运动有多种方法。下面使用圆弧型轨道实现匀速圆周运动。 图6.37目的：练习圆弧轨道的使用。器件：“圆弧轨道”。步骤：1. 新建一个实验项目，设置坐标比例为10。2. 创建一个圆弧型的轨道。点击“器件箱”中的“圆弧轨道”后，先在实验区中间点击一下，确定圆弧轨道的中心位置；然后拖动鼠标，再点击一下鼠标，定下圆弧轨道的半径。弹出了“圆弧型轨道设置”对话筐。图6.

21、38用鼠标只能用来粗略的定义它的参数。在对话筐中，可以详细而准确的定义它的各种参数。在这里，设置它的中心坐标为（0，0），半径为10米。起始角为0度，终止角为360，这样就是一个完整的圆弧了。3. 创建一个运动对象，把它放在坐标（0，10）的位置上。设置它的质量为1千克、半径为1米（轨道对半径为0的运动对象不起作用）。给它一个水平的初速度Vx=10米/秒。可以让它在运行时动态的显示出速度矢量和加速度矢量。4. 课件制作完毕。反思：可以使用动态矢量输出、实验曲线和辅助点来装点的课件。将鼠标放在圆形轨道上，点击鼠标右键，再选取“属性”命令，在“圆弧型轨道设置”窗体中不选中“可见visible”，最

22、后点击“确定”按钮，即可将轨道隐藏。“圆弧轨道”在制作课件中有许多运用技巧。【实验9】： 人造卫星图6.39牛顿曾经设想：在地球上一坐高山上用大炮水平发射一颗炮弹；初速度越大，炮弹就落的越远；当初速度足够大时，炮弹就可以环绕地球运动。下面一起来做牛顿的思想实验。目的：体会坐标比例设置的重要性，体会思想实验与仿真模拟实验。器件：“辅助点”、“变量编辑器”、“程序编辑器”。步骤：1. 首先给这个实验设置一个合适的坐标比例。地球卫星需要一个大尺度的实验环境。地球的半径就有米。所以默认的比例10是不可能做出这个地球卫星的课件的。在这个课件中设置坐标比例为1.1e7(“e7”表示乘以10的7次方)。因为

23、坐标的尺度很大，卫星饶地球一圈也要比较长的时间；所以仿真计算时，“实验最小扫描时间”可以设置的大一些，例如：1秒。2. 有两种方法，可以用来模拟地球：（1）一个有着地球质量的运动对象，（2）使用“器件箱”中的“万有引力质心”，并设置它的质量为地球的质量。两种方法都是可以的，这里用一个质量为6e24千克的运动对象来模拟地球，把它放在坐标的原点。使用运动对象模拟地球，就必须在“实验设置”对话筐中，的“功能设置”中选择“考虑运动对象间万有引力”。3. 接下来，要创建另一个运动对象来模拟炮弹。把它放在坐标（0，）的位置上，设置它有水平初速度7900米/秒。这就相当于有一颗炮弹在地球表面，水平发射。4.

24、 现在就可以运行了。下面希望通过辅助点矢量的拖动来调整炮弹的水平初速度。首先要为炮弹的水平速度Vx定义变量“vx”。然后再通过“变量编辑器”自定义一个变量“vx0”，并给它一个初始值7900。再创建一个辅助点，用它的矢量关联变量vx0；因为变量vx0的值比较大，所以辅助点矢量的显示比例也应设置大，例如3950。 图6.405. 现在，可以用辅助点的矢量来调整变量vx0的值。炮弹的水平速度关联的变量是vx。要用辅助点的矢量来调整炮弹的初速度，就要在t=0的时刻让vx=vx0。通过程序来实现。从主菜单中打开“程序编辑器”，输入以下程序： 判断1:如果(t=0 )则执行 vx=vx0 结束判断16.

25、 现在就可以运行实验了。拖动辅助点矢量可以改变炮弹的水平初速度。但这个课件还存在一个问题：当初速度小于7900米/秒时，炮弹会落进地球中。应该在炮弹落进地球时，暂停课件。首先，为炮弹的位移分别定义变量x，y；然后再输入程序： 判断1:如果( sqrt(x*x+y*y)5000000 )则执行 暂停 结束判断17. 最后，给课件增加一些注释。课件制作完毕。反思：在制作人造卫星、地球围绕太阳运转之类的课件时，选择恰当的坐标比例是关键；同时还要注意选择恰当的“实验最小扫描时间”。在此课件的基础之上，能否制作“提速”或者“减速”按钮，使之能够实现卫星的变轨运动？（可以通过“动态注释”和程序编辑来完成此

26、项功能）【实验10】： 机械能守恒数据表达 图6.41目的：表达自由落体在下落过程中，重力势能的变化和动能的变化，以及整个机械能的变化情况。器件：“辅助点”、“变量编辑器”、“程序编辑器”。步骤：1. 新建一个实验项目，设置坐标的比例为10。在“实验设置”中要考虑重力的作用。2. 创建一个运动对象，设置它的质量为1千克。把它放在高度30米的位置上。给它的位移y分量定义变量“y”，速度Vy分量定义变量“vy”。这两个变量，将在程序中使用它们来计算运动对象的重力势能和动能。3. 在“变量编辑器”中自定义变量“Ep”表示小球的重力势能，“Ek”表示小球的动能。“E_all”表示小球的机械能。然后在“

27、程序编辑器”中输入以下的程序：Ep=1*9.8*yEk=0.5*1*vy*vy/机械能 = 势能 + 动能E_all=Ep+Ek可以为程序添加一些注释，这样便于程序的理解和课件资源的交流。在行的开头用“/”就可以注释此行的程序了。软件在解释和执行程序时会自动的跳过被注释的行。4. 用“动态注释”，和“辅助点”矢量，把运动对象的重力势能、动能和机械能都表达出来。 图6.425. 运行课件，观察重力势能、动能和机械能在运动对象下落过程中的变化。6. 可以在x=0的位置上创建一个水平的直线轨道。这样运动对象落到轨道上时会被反弹。反思：仿真物理实验室具有丰富的表达功能，巧妙地运用这些数据表达功能，既可

28、以用于演示实验之中，也可以用于数据探究之中。【实验11】： 动量守恒数据表达把滑块放在平板上，设置平板与滑块间具有摩擦系数。整个系统不受到外力的作用，这样这个系统在运动中将始终是动量守恒的。 图6.43目的：搭建一个动量守恒系统，演示与表达动量守恒规律。器件：“辅助点”、“变量编辑器”、“程序编辑器”。步骤：1 新建一个实验项目。设置坐标的比例为0.5。在“实验设置”对话筐中，选中“考虑重力作用”；设置实验最小扫描时间为0.0002秒。根据不同的坐标比例和实验内容设置恰当的实验最小扫描时间对课件的质量有重要的意义。可以边运行边调整这个参数，以取得最好的演示效果。2 创建一个平板。设置它质量为2

29、千克，长1.5米，高0.1米，平板与滑块间的摩擦系数为0.3。为了研究它的动量，可以为它的速度参数定义变量。3 再创建一个滑块，把它放在平板上面。设置质量为1千克，滑块的长度和高度都是0.2米。设置它具有2米/秒的初速度。同样也要为它的速度参数定义变量。4用辅助点矢量关联相关的变量。在“程序编辑器”中分别计算出它们的分动量和和系统的总动量。最后再使用“动态注释”把它们输出。5 课件制作完毕。反思：可以在该实验的基础之上，制作一个动量守恒规律数据探究平台，训练学生的数据观察、数据挖掘的意识和能力。平板、斜面和滑块等器件为制作验证动量守恒和搭建动量守恒习题中的物理模型提供了极大的方便。比如，在一个

30、平板上可以放多个滑块。在“实验设置”对话筐中选中“考虑运动对象间的碰撞”，同一个平板上的滑块间还可以发生弹性碰撞。另外还可以把滑块固定在平板上，使它与平板合为一体。如图6.47所示。 图6.44 【实验12】： 带电小球在点电荷电场中的受力 图6.45在实验区中放置一个正的点电荷，然后在它的周围放上一圈带有正电的小球，再让小球动态的显示出受到的合外力就可以了。在制作这个课件时，有一些需要注意的地方。（1）带电小球一般的带电量都很小，数量及为1e-8。在这个实验中，点电荷器件和小球上带的电量都是1e-8库仑。（2）在这个课件中不要考虑运动对象间的电荷吸引，在“实验设置”对话筐中不要选中“考虑运动对象间电荷吸引”，否则，带电小球的受力就不是如上图所示了。（3）因为运动对象没有受到其它力的作用，所以库仑力就是它们受到的合外力。因为带电量很小，所以受到的库仑力也就很小，力矢量显示的比例也要设置的很小，在这个课件中，设置成1e-6。 . 图6.46在编辑状态下，用鼠标点中运动对象或点电荷后可以拖动它到不同的位置，运动对象受到的库仑力也就会随之而变化。【实验13】： 匀强电场对电子的加速与偏