物理定律于計(jì)算機(jī)模擬的研究范文

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【摘要】在物理教學(xué)過(guò)程中，有許多物理現(xiàn)象在日常生活當(dāng)中無(wú)法直接觀察，課堂中的演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在市面上也有一些專門(mén)用于物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M的商業(yè)軟件，但是價(jià)格高昂，而且并不一定適合課堂或在家自學(xué)，scratch是一種開(kāi)源免費(fèi)平臺(tái)，易學(xué)易用，功能完備，能夠滿足物理定律的模擬，有利于初學(xué)者對(duì)物理定律的理解和掌握，也可作為教師課堂演示實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。

【關(guān)鍵詞】scratch；物理定律；模擬演示

1引言

在物理課堂上，由于教學(xué)的需要，需要通過(guò)許多演示實(shí)驗(yàn)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行展示，但是制約實(shí)驗(yàn)完成的因素較多，實(shí)驗(yàn)儀器較為繁瑣，操作不便，常常花了大量時(shí)間效果卻不明顯，導(dǎo)致很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確得出，例如大家所熟知的牛頓第二定律，高中物理實(shí)驗(yàn)一般是將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在木板的一端，把砝碼和小車(chē)系在細(xì)線的兩端，細(xì)線跨過(guò)滑輪，砝碼的重力作為拉力，讓拖著紙帶的小車(chē)在斜面上做勻加速運(yùn)動(dòng)，小車(chē)及其上的砝碼、線的另一端系著的鉤碼組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)得出物體的位移與時(shí)間的關(guān)系，需要通過(guò)精確的測(cè)量與復(fù)雜的計(jì)算將物體的加速度求出，然后利用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律公式F=ma對(duì)所得的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，但是由于實(shí)驗(yàn)器材過(guò)于繁瑣，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也存在大量的系統(tǒng)誤差與計(jì)算誤差，導(dǎo)致很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)結(jié)果與理論的結(jié)論相差較大，無(wú)法將實(shí)驗(yàn)與結(jié)論有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，從而導(dǎo)致演示效果較差。Scratch是一種用于程序設(shè)計(jì)的開(kāi)源的軟件平臺(tái)，使用者可以很方便的完成程序制作，容易理解，使用方便，可考慮利用scratch對(duì)物理定律進(jìn)行準(zhǔn)確的演示。如果在物理課堂上將一些復(fù)雜而難以直觀觀察的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬演示，讓學(xué)生通過(guò)對(duì)更加直觀的觀察對(duì)這些物理定律有了感觀的認(rèn)識(shí)與更深入的理解，從而讓演示實(shí)驗(yàn)的效果更加明顯，不僅操作簡(jiǎn)單快捷，而且教師也不用擔(dān)心傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)花了大量時(shí)間，效果不明顯的情況，為使課堂更加生動(dòng)、有趣、豐富、高效而助力。

2用于演示物理定律的常用模塊

在Scratch當(dāng)中，有很多用于編程的模塊類型，用以完成不同的編程功能，，運(yùn)算類型的模塊是所有模塊中的一個(gè)大類，我們主要用到外觀為圓角矩形的模塊，這些模塊可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算，也能夠完成三角函數(shù)、指數(shù)、對(duì)數(shù)等常規(guī)運(yùn)算方式。另外還要大量用到的就是數(shù)據(jù)類型模塊，數(shù)據(jù)類型模塊可針對(duì)變量進(jìn)行建立、賦值等操作，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)中需要用到很多的不斷變化的數(shù)據(jù)，所以此類型的模塊不僅是在一般的計(jì)算機(jī)程序當(dāng)中運(yùn)用得很多，在用于演示物理現(xiàn)象的程序中也很重要。

3使用程序進(jìn)行物理定律演示

我們首先考慮一下演示牛頓第二定律，首先使用新建變量的方式，新建初速度v0、速度v、時(shí)間t、質(zhì)量m、力F、加速度a幾個(gè)變量，然后為其編輯所示的主程序，在主程序中一開(kāi)始給幾個(gè)變量設(shè)置一個(gè)初始值一開(kāi)始將物體的初速度v0設(shè)為1，然后將初始時(shí)間設(shè)為0，再把物體的質(zhì)量設(shè)為100kg，然后使用移動(dòng)模塊將角色放到舞臺(tái)的左側(cè)，使用詢問(wèn)積木要求用戶輸入力的大小，將回答的值賦值給F備用，再次詢問(wèn)用戶質(zhì)量為多少千克，再將用戶回答的質(zhì)量賦值給m，然后廣播一個(gè)消息，在另一組程序中，可以通過(guò)該程序改變重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)從而改變物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，當(dāng)接收到了消息，開(kāi)始計(jì)時(shí)。與此同時(shí)，主程序繼續(xù)向下運(yùn)行，進(jìn)入循環(huán)語(yǔ)句，計(jì)算出加速度的值，將其賦值給a，由于加速度為定值，且物體的運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，所以可用加速度為定值的運(yùn)動(dòng)方程，其速度的公式為v=v0+at，并將此值賦給速度v，然后使用移動(dòng)模塊讓角色運(yùn)動(dòng)。將程序編輯設(shè)置好后，就可以開(kāi)始啟動(dòng)程序，執(zhí)行該程序時(shí)，首先程序?qū)?huì)詢問(wèn)力的大小為多少（如圖1所示），通過(guò)手動(dòng)輸入力的大小并確認(rèn)后，程序會(huì)再次詢問(wèn)物體的質(zhì)量為多少千克（如圖2所示），再次質(zhì)量大小并確認(rèn)后物體就開(kāi)始以一定的加速度運(yùn)動(dòng)，并會(huì)得出物體運(yùn)動(dòng)的加速度，然后在該程序的左上方實(shí)時(shí)顯示出物體運(yùn)動(dòng)的速度v，時(shí)間t的變化，而且觀察者可以直觀的感覺(jué)到角色的加速運(yùn)動(dòng)。所以，通過(guò)演示，學(xué)習(xí)者既能直觀觀察物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又可以通過(guò)對(duì)程序的設(shè)定將物體的加速度準(zhǔn)確得出，將物體實(shí)際運(yùn)動(dòng)與其運(yùn)動(dòng)的加速度有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，使得實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易懂，非常有利于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。我們剛才只是對(duì)牛頓第二定律進(jìn)行了模擬，我們?cè)賮?lái)看看scratch對(duì)我們熟知的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的模擬，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程一般表達(dá)為x=Acos（ωt+準(zhǔn)），速度v=-Aωsin（ωt+準(zhǔn)），程序先詢問(wèn)振幅A，角速度ω，初相準(zhǔn)，然后我們通過(guò)手動(dòng)輸入特定的數(shù)值并確認(rèn)就可以開(kāi)始執(zhí)行程序，物體進(jìn)行簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，通過(guò)觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況便可觀察簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。我們這里將速度設(shè)定為v/100并四舍五入是為了讓速度值取整數(shù)便于觀察，更能清晰地看出物體速度的變化，其次在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中左上角顯示出x與t的大小，并在圖中實(shí)時(shí)得出物體運(yùn)動(dòng)的速度，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系觀察出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

4結(jié)束語(yǔ)

在物理課堂中，大部分演示實(shí)驗(yàn)需要用許多物理器材演出其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是制約實(shí)驗(yàn)完成的因素較多，存在較大誤差，很多時(shí)候?qū)嶒?yàn)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確得出，常常花了大量時(shí)間效果卻不明顯，所以部分教師甚至由于這樣的原因放棄了演示實(shí)驗(yàn)，影響教學(xué)效果。Scratch是一種用于程序設(shè)計(jì)的開(kāi)源的軟件平臺(tái)，容易理解，使用方便，使用者可以很方便的完成程序制作，可考慮利用scratch對(duì)物理定律進(jìn)行準(zhǔn)確的演示，對(duì)一些較為復(fù)雜的物理運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的模擬，讓物理的演示實(shí)驗(yàn)更加直觀易懂，教師不用擔(dān)心傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)花了大量時(shí)間，效果不明顯的情況，學(xué)生們也會(huì)對(duì)物理定律有更好的理解與掌握，不僅使課堂更加生動(dòng)有趣，還有利于提高教學(xué)水平，提高教學(xué)質(zhì)量。

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作者：王宇 單位：四川省綿陽(yáng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)