【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊中的剛桿有兩種，懸掛剛桿和連接剛桿。懸掛剛桿一端固定，另外一端連接一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象，具有輕質(zhì)剛桿的特性。連接剛桿連接兩個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象。具有輕質(zhì)剛桿的特性。 直線軌道 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 讓運(yùn)動(dòng)對(duì)象穿過(guò)直線軌道，小球則會(huì)沿著直線軌道運(yùn)動(dòng) ,軌道 上 可以設(shè)置摩擦系數(shù)。直線軌道與圓弧軌道可以相互的連接。在驗(yàn)證動(dòng)量守恒 的實(shí)驗(yàn)中軌道的作用顯而易見(jiàn)。軌道還可以作為具有彈性的板，小球撞上會(huì)反彈回來(lái)。軌道對(duì)半徑為零的運(yùn)動(dòng)對(duì)象不起作用。 圓弧軌道 它的形狀是圓弧形的，其它特性與直線 軌道一樣。 下圖為運(yùn)動(dòng)對(duì)象從圓弧軌道滾落下來(lái)，并和直線軌道發(fā)生碰撞的物理實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)對(duì)象的彈性系數(shù)被設(shè)置為 。 釘子 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD釘子對(duì)象只可以對(duì)懸掛細(xì)繩和小球起作用。對(duì)于懸掛細(xì)繩，它像真實(shí)環(huán)境下的釘子一樣可以鉤住懸掛細(xì)繩。另外小球可以與釘子對(duì)象發(fā)生碰撞而改變小球的速度。 下圖為繩子對(duì)單擺小球的阻擋效果。 滑輪 滑輪對(duì)象只可以對(duì)連接細(xì)繩起作用。創(chuàng)建連接細(xì)繩時(shí)依次連接：運(yùn)動(dòng)對(duì)象 滑輪 1...滑 輪 2...、運(yùn)動(dòng)對(duì)象 2。 輔助點(diǎn) 輔助點(diǎn)是仿真物理實(shí)驗(yàn)室中的輔助對(duì)象。可以在輔助點(diǎn)上動(dòng)態(tài)的顯示變量的矢量。它與程序配合使用可以達(dá)到十分好的視覺(jué)效果與分析效果。通過(guò)繪制輔助點(diǎn)的軌跡，可以展現(xiàn)出任意變量的變化曲線。在一些例子中，將詳細(xì)的說(shuō)明它的妙用。 注釋 標(biāo)簽 “運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊提供了兩種注釋?zhuān)瑒?dòng)態(tài)注釋和多行注釋。動(dòng)態(tài)注釋?zhuān)糜谠趯?shí)驗(yàn)區(qū)域放置文字和符號(hào)，您可以用動(dòng)態(tài)注釋來(lái)說(shuō)明和介紹您的實(shí)驗(yàn)。您還可以使用它動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)驗(yàn)中的變量，strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD例如：輸入“時(shí)間 = {t} 秒 ”，其中 t 為時(shí)間 變量。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，就會(huì)在“ {t}”的位置上顯示出當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。動(dòng)態(tài)注釋還可以作為按鈕來(lái)使用。多行注釋以多行的方式顯示靜態(tài)的文字和符號(hào)。 曲線對(duì)象 “ 仿真物理實(shí)驗(yàn)室 ” 為用戶提供了多種數(shù)據(jù)輸出方式。 使用“變量曲線”對(duì)象，可以十分方便的繪制出 各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線，繪制與分析數(shù)據(jù)曲線是學(xué)習(xí)和研究物理的重要方法之一。 在高級(jí)應(yīng)用技巧中，我們將通過(guò)一個(gè)例子詳細(xì)的講述“變量曲線”對(duì)象的使用。 實(shí)驗(yàn)區(qū)坐標(biāo)系 和實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間 在“運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué) ” 模塊 的實(shí)驗(yàn)區(qū)中，存在一個(gè)坐標(biāo)系，所有的實(shí)驗(yàn)都是 以實(shí)驗(yàn)區(qū)中的坐標(biāo)系為參照系的。 在創(chuàng)建新的實(shí)驗(yàn)時(shí)，第一步就是為這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置一個(gè)恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，包括對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)位置的確定和坐標(biāo)比例的設(shè)置。 在通常情況下，可以設(shè)置坐標(biāo)比例為默認(rèn)的比例 10；在一些大尺度的實(shí)驗(yàn)中，例如在地球人造衛(wèi)星中，應(yīng)該把比例設(shè)置為大比例，具體的數(shù)值為 1e7（ 1*107） ； 在一些小尺度的試驗(yàn)中，例如在氫原子模型的物理場(chǎng)景中，應(yīng)該把比例設(shè)置為小比例，具體的數(shù)值為 1e8（ 1*108） 。所以在創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)前，請(qǐng)分析一下多大的比例尺比較合適，這時(shí)一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)的第一步。 “實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間” 這是一個(gè) 十分重要的參數(shù)。它的設(shè)定直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的精度和動(dòng)畫(huà)演示的速度。實(shí)驗(yàn)室將以實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間為計(jì)算步長(zhǎng)，逐步計(jì)算實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，并對(duì)計(jì)算出的狀態(tài)進(jìn)行演示。從理論上講，實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間越小，實(shí)驗(yàn)的精度可能越高；但同時(shí)會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，演示的速度也會(huì)變慢。在研究宏觀世界中，實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間可以設(shè)定的大一些，而研究微觀世界時(shí)，應(yīng)設(shè)定的非常小。例如在自由落體實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為 秒左右；在地球人造衛(wèi)星strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為 1 秒左右就可以了。而在電場(chǎng)對(duì)電子的加速與偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)設(shè)定為 1e12 秒左右。在具體制作過(guò)程中，可以試著找 一個(gè)比較合適的數(shù)值。比如說(shuō)，你覺(jué)得實(shí)驗(yàn)運(yùn)行得太快了，你就可以試著減小這個(gè)參數(shù)，同時(shí)仿真的精度也高了；如果你覺(jué)得實(shí)驗(yàn)運(yùn)行太慢了，你就可以試著增大這個(gè)參數(shù)。 在“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框中可以修改這個(gè)參數(shù)。 變量及其應(yīng)用 “仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊 ，支持變量的應(yīng)用。軟件中的變量有兩種，分別是系統(tǒng)變量和自定義變量。 系統(tǒng)變量是指軟件自帶的變量，例如時(shí)間變量 t，器件自帶的變量也是系統(tǒng)變量。 軟件為幾乎所有的物理對(duì)象都提供變量支持。變量可以表示運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位移、速度、外力，也可以表示為勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)方向 等。 對(duì)象變量的命名是以“對(duì)象名稱(chēng) .物理參數(shù)”來(lái)命名的。如下圖所示，對(duì)象的名稱(chēng)為：“電場(chǎng) 1”，則它的電場(chǎng)強(qiáng)度變量為“電場(chǎng) ”，電場(chǎng)方向的變量為“電場(chǎng) ”。 自定義變量 是用戶自己定義的變量， 自定義變量在“變量編輯器”對(duì)話框中進(jìn)行添加。從主菜單中點(diǎn)擊 [程序 ]—— [變量編輯器 ]菜單，可strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD以彈出“變量編輯器”對(duì)話框。 分別輸入“ 變量名稱(chēng) ” 和“初始值”，然后點(diǎn)擊“添加”按鈕，就可以創(chuàng)建自定義變量了。在創(chuàng)建自定義變量時(shí)，請(qǐng) 使用簡(jiǎn)單的字母或字母組合，不要出現(xiàn)特殊 符號(hào) ，變量不能重名。 有了這些變量，我們可以在很多的地方使用到 它們 。我們可以用“注釋標(biāo)簽”在實(shí)驗(yàn)區(qū)中輸出變量的值；可以用“變量曲線”對(duì)象繪制出變量的曲線；還可以用變量通過(guò)表達(dá)式計(jì)算得出新的物理量。 在前面的彈簧振 子實(shí)驗(yàn)中，我們已經(jīng)學(xué)會(huì)如何使用“變量曲線”對(duì)象繪制出變量的曲線。 下面，我們將通過(guò)一個(gè)小球在下落過(guò)程中機(jī)械能守恒的例子學(xué)習(xí)變量的其他用法。 ? 新建實(shí)驗(yàn)，把坐標(biāo)系的原點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)區(qū)下半部分，設(shè)置坐標(biāo)比例為10。 ? 創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象，把它的半徑設(shè)置為 2，設(shè)置它的初位移 X＝ 0，Y＝ 30。 ? 再創(chuàng)建一個(gè)直線軌道 對(duì)象 ， 把它放置在實(shí)驗(yàn)區(qū)的下方，如下圖所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD為了把這個(gè)直線軌道放平，我們要把直線軌道兩個(gè)端點(diǎn)的 Y 坐標(biāo)設(shè)置為一樣的值。 ? 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們需要考慮重力作用，在“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框中，我們選中“考慮重力作用”這個(gè)選項(xiàng)。 這時(shí)我們運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，小球在做反復(fù)的彈跳運(yùn)動(dòng)。 ? 接下來(lái)，我們通過(guò)變量計(jì)算出小球的重力勢(shì)能 Ep=mgh，小球的動(dòng)能 Ek=*mv2 ，和小球的總機(jī)械能 E=Ep+Ek。 點(diǎn)擊主菜單中 [程序 ]—— [變量編輯器 ]，在“變量編輯器”中，分 別創(chuàng)建三個(gè)變量Ep、 Ek、 E，初始值可以都設(shè)置為 0。 ? 點(diǎn)擊主菜單中 [程序 ]—— [程序編輯器 ]，在“程序編輯器”對(duì)話框中，我們輸入計(jì)算的表達(dá)式，如下圖所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD ? 最后，我們使用注釋標(biāo)簽，把計(jì)算得到的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)區(qū)中顯示出來(lái)。從器件箱中，創(chuàng)建一個(gè)“動(dòng)態(tài)注釋”， 在彈出的“注釋設(shè)置”對(duì)話框中，我們輸入以下內(nèi)容“ 小球的動(dòng)能＝ {Ek}”，注意要把變量放在 {}中。 如下圖所示。 點(diǎn)擊“選擇字體”按鈕可以為注釋更改字體或字號(hào)。 ? 用同樣的方法， 我們?cè)賱?chuàng)建出顯示小球勢(shì)能數(shù)據(jù)和小球總機(jī)械能的“動(dòng)態(tài)注釋”。再次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)， 我們 能 看到在實(shí)驗(yàn)區(qū)中 ，動(dòng)態(tài)顯示的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 如下圖所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 度量功能的應(yīng)用 “ 仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)模塊 ” 為用戶提供了度量功能，用戶可以度量運(yùn)動(dòng)對(duì)象、輔助點(diǎn)兩兩之間的距離和三點(diǎn)形成的角度，并且度量的值可以作為變量。 距離的度量?？梢远攘?jī)蓚€(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象間的距離，兩個(gè)輔助點(diǎn)間的距離或運(yùn)動(dòng)對(duì)象與輔助點(diǎn)之間的距離。 點(diǎn)擊主菜單中的 [度量 ]—— [距離 ]菜單項(xiàng)，然后依次用鼠標(biāo)在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊需要 度量距離的兩個(gè)對(duì)象。請(qǐng)經(jīng)常關(guān)注在實(shí)驗(yàn)區(qū)下方狀態(tài)欄中的提示信息，它能給您的操作帶來(lái)幫助。這時(shí)，軟件會(huì)彈出“度量距離設(shè)置”對(duì)話框。 我們可以為這個(gè)度量設(shè)置一個(gè)變量，然后點(diǎn)擊確定按鈕。接下來(lái)我們就可以像使用自定義變量一樣使用這個(gè)度量值了。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 角度的度量 ，角度的度量與距離的度量類(lèi)似，唯一不同的是， 需要通過(guò)三個(gè)對(duì)象來(lái)確定一個(gè)角。例如要度量 ∠ ABC，在點(diǎn)擊度量角度的菜單后，依次在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊對(duì)象 A、 B、 C。需要注意的事，度量的值是以角度為單位的。 曲線對(duì)象的應(yīng)用 “ 仿真物 理實(shí)驗(yàn)室 ” 為用戶提供了多種數(shù)據(jù)輸出方式。使用“變量曲線”對(duì)象，可以十分方便的繪制出各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線，繪制與分析數(shù)據(jù)曲線是學(xué)習(xí)和研究物理的重要方法之一。下面我們以彈簧振子為例一起學(xué)習(xí)“變量曲線”對(duì)象的使用。 我們制作一個(gè)彈簧振子的物理模型。然后通過(guò)“變量曲線”對(duì)象，繪制出振子在振動(dòng)時(shí)的位移 /時(shí)間曲線、速度 /時(shí)間曲線、加速度 /時(shí)間曲線。最后我們把這個(gè)彈簧振子模型放在阻尼介質(zhì)對(duì)象中，并再次觀察它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和曲線。 ? 首先新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象，把它放置在坐標(biāo)原點(diǎn)，并設(shè)置它具有豎直方向的初速度 Vy=10 米 /秒。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD ? 接下來(lái)，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)懸掛彈簧，讓它一端連接運(yùn)動(dòng)對(duì)象，另一端固定在坐標(biāo)（ 0,20）的位置上。從器件箱中，點(diǎn)擊“懸掛彈簧”按鈕，然后根據(jù)狀態(tài)欄中的提示，先點(diǎn)擊已經(jīng)創(chuàng)建在實(shí)驗(yàn)區(qū)的運(yùn)動(dòng)對(duì)象，再點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)區(qū)中坐標(biāo)為（ 0,20）的空白位置。這時(shí)會(huì)彈出“懸掛彈簧設(shè)置”對(duì)話框。我們按下圖所示設(shè)置彈簧的參數(shù)，設(shè)置彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)為 5，彈簧原長(zhǎng)為 20，作用類(lèi)型為“雙方向作用”。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD ? 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們不需要考慮重力作用，點(diǎn)擊工具欄 上的運(yùn)行按鈕就可以運(yùn)行實(shí)驗(yàn)了，記得通過(guò)調(diào)節(jié)“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框中的“實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間”可以調(diào)整實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的快慢。 ? 接下來(lái)，我們創(chuàng)建出一個(gè)“變量曲線”對(duì)象。從器件箱中，點(diǎn)擊“變量曲線”按鈕，然后在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)，這時(shí)會(huì)彈出“變量曲線設(shè)置”對(duì)話框。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD對(duì)話框的左邊是用于繪制曲線的坐標(biāo)紙，用鼠標(biāo)可以拖動(dòng)坐標(biāo)紙中的坐標(biāo)，改變坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。在對(duì)話框的右上方是設(shè)置曲線坐標(biāo)比例的編輯框，分別可以設(shè)置橫坐標(biāo)比例和縱坐標(biāo)比例。恰當(dāng)?shù)谋壤O(shè)置，能讓曲線繪制得比較美觀。在坐標(biāo)比例設(shè)置編 輯框的下面是曲線關(guān)聯(lián)變量的設(shè)置。在一個(gè)“變量曲線”對(duì)象中，可以同時(shí)繪制五條曲線。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊曲線的矩形色塊可以為曲線設(shè)置顏色。在這個(gè)彈簧振子的實(shí)驗(yàn)中，我們繪制三條曲線，分別是振子的位移 y隨時(shí)間變化的曲線，振子的速度 vy 隨時(shí)間變化的曲線，和振子的加速度 ay 隨時(shí)間變化的曲線。我們讓這三條曲線的橫坐標(biāo) X 都關(guān)聯(lián)時(shí)間變量 t，三條曲線的縱坐標(biāo) Y 分別關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位移變量y，速度變量 vy 和加速度變量 ay。最后點(diǎn)擊“變量曲線設(shè)置”對(duì)話框的確定按鈕。 ? 再次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，我們看到在彈簧振子做上下振動(dòng)的同時(shí)，在旁邊的變量曲線對(duì)象上，也 同時(shí)繪制出了各種物理參數(shù)的變化曲線。 ? “仿真物理實(shí)驗(yàn)室”能很好的支持我們的探究活動(dòng)。我們?cè)谶@個(gè)彈簧振子的實(shí)驗(yàn)上，再做一個(gè)嘗試，我們把這個(gè)彈簧振子放在水或者油性介質(zhì)中，研究它振動(dòng)的衰減情況。在軟件中，我們可以使用“阻尼介質(zhì)”對(duì)象來(lái)模擬存在阻尼的環(huán)境。從“器件箱”中創(chuàng)建出阻尼介質(zhì)，讓它的范圍完全包裹住彈簧振子，在彈出的“阻尼介質(zhì)設(shè)置”strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD對(duì)話框中，我們選擇第一種計(jì)算阻尼的方法，并設(shè)置參數(shù) N=，K=2。再次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，我們就能觀察到振子的振動(dòng)曲線發(fā)生了如下圖所示的變化 ，振動(dòng)在阻尼介質(zhì)中發(fā)生了衰減。 五． 軟件在教學(xué)中的應(yīng)用 1. 在牛頓 三定律教學(xué)中 的應(yīng)用 2. 在萬(wàn)有引力 教學(xué) 中的應(yīng)用 3. 在機(jī)械能教學(xué)中的應(yīng)用 4. 在動(dòng)量教學(xué)中的應(yīng)用 5. 在機(jī)械振動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用 6. 在電場(chǎng)與磁場(chǎng)教學(xué)中的應(yīng)用 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD電學(xué)模塊 一． 電學(xué)模塊簡(jiǎn)介 “仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 電學(xué)” 模塊 為學(xué)生和老師 提供了電源、電阻、儀表、開(kāi)關(guān)等數(shù)十種具體的電子元器件。用戶可以利用這些電子元器件，搭建自己的實(shí)驗(yàn)電路。例如連接串聯(lián)與并聯(lián)電路、用伏安法測(cè)量電阻、測(cè)量路端電壓、用惠斯通電橋精確測(cè)量電阻、用電磁繼電器實(shí)現(xiàn) 對(duì)電路的簡(jiǎn)單控制等。實(shí)驗(yàn)室還提供燈泡、電鈴等元件，使用戶設(shè)計(jì)的電路生動(dòng)活潑。 在真實(shí)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，存在安全性風(fēng)險(xiǎn)，并可能造成電學(xué)器件的損毀?，F(xiàn)在我們可以利用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 電學(xué)”模塊，進(jìn)行電學(xué)方面的探究與實(shí)驗(yàn)，既經(jīng)濟(jì)又安全。 二． 軟件界面 “仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 電學(xué) ” 模塊 的主界面如下圖所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 軟件界面的中間是實(shí)驗(yàn)區(qū)，是用戶搭建 各種電路 和觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程的地方。實(shí)驗(yàn)區(qū)的上面是工具欄，工具欄中有常用命令的快捷按鈕。實(shí)驗(yàn)區(qū)的右邊是器件箱，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊器件箱中的器件，再在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就能創(chuàng)建器件。實(shí)驗(yàn)區(qū)的下方是狀 態(tài)欄。 三． 菜單