【正文】 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。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。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。 ? 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。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。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。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 ? 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。這時(shí)會(huì)彈出“懸掛彈簧設(shè)置”對(duì)話框。 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。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。 我們制作一個(gè)彈簧振子的物理模型。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。需要注意的事，度量的值是以角度為單位的。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 角度的度量 ，角度的度量與距離的度量類似，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。 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。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?？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。 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。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)。 點(diǎn)擊“選擇字體”按鈕可以為注釋更改字體或字號(hào)。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。 ? 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。 ? 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。 ? 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)。 ? 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。 ? 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。 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。 有了這些變量，我們可以在很多的地方使用到 它們 。 分別輸入“ 變量名稱 ” 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。 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。 對(duì)象變量的命名是以“對(duì)象名稱 .物理參數(shù)”來(lái)命名的。 軟件為幾乎所有的物理對(duì)象都提供變量支持。軟件中的變量有兩種，分別是系統(tǒng)變量和自定義變量。 在“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框中可以修改這個(gè)參數(shù)。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。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。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。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。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。 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。 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。動(dòng)態(tài)注釋還可以作為按鈕來(lái)使用。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。 注釋 標(biāo)簽 “運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊提供了兩種注釋，動(dòng)態(tài)注釋和多行注釋。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?？梢栽谳o助點(diǎn)上動(dòng)態(tài)的顯示變量的矢量。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。 下圖為繩子對(duì)單擺小球的阻擋效果。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。 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 。軌道對(duì)半徑為零的運(yùn)動(dòng)對(duì)象不起作用。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)。 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)。連接剛桿連接兩個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象。 剛桿 “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。制作單擺的物理模型，和制作牛頓擺都需要使用懸掛細(xì)繩。 繩子 “運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊中的繩子有兩種，懸掛細(xì)繩和連接細(xì)繩。 連接彈簧的兩端分別連接兩個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象或滑塊。它本身沒(méi)有質(zhì)量，具有真實(shí)世界彈簧的特性，遵循胡克定律。 彈簧 “ 仿真物理實(shí)驗(yàn)室 —— 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊中的彈簧有兩種 ，懸掛彈簧和連接彈簧。在空氣中，為什么羽毛下落的比石頭慢，在做落體實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置一個(gè)阻尼介質(zhì)可以看出它對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的影響。研究帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，就要使用到勻強(qiáng)磁場(chǎng)。 下圖為帶電小球在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的加速與偏轉(zhuǎn)。在電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速與偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中就要使用到勻強(qiáng)電場(chǎng)。 勻強(qiáng)電場(chǎng) 勻強(qiáng)電場(chǎng)是實(shí)驗(yàn)區(qū)中的一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的電場(chǎng)強(qiáng)度處處相等，電場(chǎng)強(qiáng)度可以自由設(shè)置，電場(chǎng)方向在 0~360 度 的范圍內(nèi)可以任意設(shè)置。例如：在人造衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)中，可以用它來(lái)模擬地球。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 兩個(gè)點(diǎn)電荷對(duì)象形成的等勢(shì)面與電力線 萬(wàn) 有引力 萬(wàn)有引力質(zhì)心只有質(zhì)量，根據(jù)萬(wàn)有引力定律對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象產(chǎn)生吸引力。 首先，我們要在實(shí)驗(yàn)區(qū)中創(chuàng)建至少一個(gè)點(diǎn)電荷對(duì)象 。在研究庫(kù)侖定律、電力線、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)能等的物理模型中都要使用到點(diǎn)電荷。 點(diǎn)電荷 （介紹等勢(shì)面與電力線的繪制） 點(diǎn)電荷是 僅 帶有一定電量的實(shí)驗(yàn)器件。斜面與地面之間可以設(shè)置摩擦系數(shù)。 斜面對(duì)象： 可以水平滑動(dòng)的斜面，上面可以放置滑塊。在上面可以放置滑塊?；瑝K與平板、斜面之間可以設(shè)置摩擦系數(shù)。在同一平板上的滑塊之間可以發(fā)生碰撞。 在“變量列表”頁(yè)面中，有軟件為每個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的物理參數(shù)所定義的變量，在后面的高級(jí)應(yīng)用技巧中，我們將詳細(xì)介紹變量的應(yīng)用。在“動(dòng)態(tài)顯示”頁(yè)面中，可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，以矢量的形式顯示各種關(guān)于它的物理參數(shù)。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD “運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框，有多頁(yè)組成，在“物理屬性”頁(yè)面中，可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)對(duì)象的基本物理屬性，包括運(yùn)動(dòng)對(duì)象的質(zhì)量、初位移、初速度、所受外力、所帶電量、彈性系數(shù)等。運(yùn)動(dòng)對(duì)象可以顯示成一個(gè)小球，也可以在運(yùn)動(dòng)對(duì)象上貼上一幅小圖，顯示成飛機(jī)汽車等。在自由落體、平拋運(yùn)動(dòng)中它可以作為單純的質(zhì)點(diǎn)；在驗(yàn)證動(dòng)量守衡的實(shí)驗(yàn)中它可以作為有半徑的小球；在加速電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中它又可以作為帶有電荷的粒子。 運(yùn)動(dòng)對(duì)象 運(yùn)動(dòng)對(duì)象是運(yùn)動(dòng)的載體，也是我們研究的對(duì)象。這些器件和對(duì)象，是我們 搭建 各種實(shí)驗(yàn)的 基本 材料。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 在此對(duì)話框中，可以對(duì)所有矢量的顏色 、 顯示比例進(jìn)行設(shè)置。 “暫停時(shí)刻” 如果把它設(shè)置成一個(gè)非零的值，軟件將每隔等于此 值的時(shí)間暫停一次，以便于分析和研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。 “每脈掃描次數(shù)” 是指在一次封閉的計(jì)算中，連續(xù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)最小掃描時(shí)間的次數(shù)。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。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)星實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為 1 秒左右就可 以了。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。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。有兩種方式可以控制輸出數(shù)據(jù)的格式，按指定的有效位數(shù)輸出數(shù)據(jù)，選中“數(shù)據(jù)輸出有效位數(shù)”選項(xiàng)，并在后面的編輯框中輸入有效位數(shù)；按指定的小數(shù)位數(shù)輸出數(shù)據(jù)，選中“數(shù)據(jù)保留strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD小數(shù)位數(shù)”選項(xiàng)，并在后面 的編輯框中輸入需要保留的小數(shù)點(diǎn)位數(shù)。 “真空光速” ： 光在真空中傳播的速度，軟件中默認(rèn)為 3e08。 “萬(wàn)有引力恒量” ： 牛頓萬(wàn)有引力公式中的 G，它是一個(gè)常量，數(shù)值為。用戶可以根據(jù)一些特殊的需要修改重力加速度的值，例如，在教學(xué)中為了便于計(jì)算，把重力加速度設(shè)置為 10。 “加粗線條” 選項(xiàng)： 為了使軟件在進(jìn)行投影機(jī)投影時(shí)，具有清晰的顯示效果，可以選中此選項(xiàng)，它將加粗所有的線條寬度。 “顯示坐標(biāo)格” 選項(xiàng)： 選中此選項(xiàng)，能在實(shí)驗(yàn)區(qū)中顯示出寬大的網(wǎng)格。軟件在默認(rèn)狀態(tài)，不選擇此選項(xiàng)。 “考慮相對(duì)論” 選項(xiàng)： 在運(yùn)動(dòng)對(duì)象可能具有接近光速的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該選中“考慮相對(duì)論”選項(xiàng)，軟件會(huì)根據(jù)相對(duì)論方程對(duì)粒子的速度和質(zhì)量進(jìn)行修正?！皬椥韵禂?shù)”的取值范圍是 [0,1]。不同的碰撞效果，由運(yùn)動(dòng)對(duì)象屬性中的“彈性系數(shù)”決定。軟件在默認(rèn)狀態(tài)下，不選擇此選項(xiàng)。同樣由于運(yùn)動(dòng)對(duì)象本身 具有質(zhì)量 ，它們之間也能產(chǎn)生 萬(wàn)有引力 。軟件在默認(rèn)狀態(tài)下，不選擇此選項(xiàng)。同樣由于運(yùn)動(dòng)對(duì)象本身可以帶有電量，它們之間也能產(chǎn)生靜電力。有些實(shí)驗(yàn)可以忽略重力的影響，例如帶電粒子的加速與偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，就不要選擇此選項(xiàng)。 在“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框中，包括對(duì) 實(shí)驗(yàn)室 物理環(huán)境的設(shè)置 （功能設(shè)置）、物理常量的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)掃描時(shí)間的設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出有效位數(shù)或小數(shù)位數(shù)設(shè)置、矢量顯示設(shè)置。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD “實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框是“運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)”模塊中 非常重要的對(duì)話框。 如果您是一位老師，使用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”輔助您的物理教學(xué)，能夠幫助您的學(xué)生，提高對(duì)物理學(xué)的興趣，并引導(dǎo)他們由淺入深的學(xué)習(xí)物理定律。 總的來(lái)說(shuō)制作的過(guò)程是這樣的： 1.新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，確定坐標(biāo)的位置，并設(shè)置坐標(biāo)的比例； 實(shí)驗(yàn)設(shè)置按鈕 ，在“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話 框中對(duì)實(shí)驗(yàn)的大環(huán)境， 和一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置； “器件箱” 中，選擇器件，放在實(shí)驗(yàn)區(qū)中，并設(shè)置它們的屬性； 實(shí)驗(yàn)，修改參數(shù)，研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程，分析其中的物理規(guī)律 。 ? 再次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，我們可以看到如下圖所示的閃照效果。在這個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn) 中，我們選擇在閃照時(shí)刻顯示出小球的“ Vx 分量值”、“ Vy分量值”、“速度矢量”和“加速度矢量”。 打開(kāi)運(yùn)動(dòng)對(duì)象的屬性窗體，用鼠標(biāo)點(diǎn)取多頁(yè)夾中“閃照設(shè)置”頁(yè)。在實(shí)驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài)下，從主菜單中點(diǎn)擊 [運(yùn)行 ]—— [實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出設(shè)置 ]菜單，然后在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊小球，在彈出的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出設(shè)置”對(duì)話框中點(diǎn)擊確定按鈕，再運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，小球在運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)就能被實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。再次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，小球就做平拋運(yùn)動(dòng)了。在實(shí)驗(yàn)停止?fàn)顟B(tài)下，用鼠標(biāo)右鍵在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊那個(gè)小球，在彈出的菜單中選擇“屬性”，彈出“運(yùn)動(dòng)對(duì)象設(shè)置”對(duì)話框 。 點(diǎn)擊工具欄上的“停止”按strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD鈕 ，可以停止正在運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)。 ? 下面我們就可以運(yùn)行實(shí)驗(yàn)了。 彈出 “實(shí)驗(yàn)設(shè)置”對(duì)話框 ，在這個(gè) 對(duì)話框 中我們可以對(duì)實(shí)驗(yàn)的大環(huán)境及一些 物理常量進(jìn)行設(shè)置。我們 還需要在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中考慮重力的作用。再按確定按鈕。 在這個(gè)窗體中，我們對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象 的各種物理參數(shù) 進(jìn)行設(shè)置。 請(qǐng)您注意界面下方狀態(tài)欄中的提示，它會(huì)給你實(shí)時(shí)的幫助。再在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)左鍵。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們需要一個(gè)“運(yùn)動(dòng)對(duì)象”。在實(shí)驗(yàn)區(qū)的右邊彈出了一個(gè)豎直的窗體