利用Algodoo软件判求理想化的物理运动规律

王 清

（山东省章丘一中，山东 章丘 250200）

Algodoo是瑞典Algoryx Simulation AB公司推出的一款独特的2D仿真软件.前身是瑞典一所大学计算机专业硕士Emil Ernerfeld为其导师Kenneth Bodin写的一个名为Phun的程序，开发目的是为了让物理教学和研究更直观有效，其英文名称是“2DPhysics Sandbox”，即“二维物理沙盒”.

Algodoo是在Phun的基础上针对课堂教学做了优化的一款虚拟物理实验软件.它给学生带来了一个卡通式的创作平台，科学地将教育与娱乐融合起来，学生可以充分发挥自己的创造力，通过简单的操作就可以快速的在电脑或电子白板上绘制物理模型.以趣味性的视觉效果展现物理原理，轻松地模拟物理情境，带领学生进入不一样的物理科学世界，极大地激发了学习物理的兴趣.

图1

1 利用Algodoo软件探究牛顿第二定律

图1为鲁科版教材对探究牛顿第二定律的实验设置.这一实验中，倾斜木板，让小车的重力的分力平衡摩擦力.教参中强调，实验时砂桶的重力应远小于小车的重力，这样的话，小车所受到的合力才能近似等于砂桶的重力.然而，如此设置的话，a必然极小，测量时的误差肯定很大；反过来，若为了使a较大，易于测量，便需设置砂桶的重力接近小车的重力，但这样一来，砂桶的重力与小车的合力又有着更大的误差，因而这个实验中，小车的加速度与所受合力实乃二律背反关系，无法一起测准.

下面我们尝试使用Algodoo软件解决这一难题.

（1）质量一定时，探究合力与加速度的关系.新建场景，制作一木块置于地面之上，设置各接触面摩擦力为0（空气阻力忽略），为木块加上马达（即推力），打开速度监控图表（图2），开启后，导出相应的速度－时间图像（图3），至此研究对象（木块）的质量、合力、加速度均简单准确的得到了.调节推力大小，多次试验，可以得到质量一定时，合力与加速度的正比关系.

图2

图3

（2）合力一定时，探究质量与加速度的关系.新建场景，制作一木块置于地面之上，设置各接触面摩擦力为0（空气阻力忽略）（图4），复制木块，并分别名其为m1、m2、m3、m4、m5等，为使图像更加清晰，物体间应逐次拉开距离，打开m1的速度监控图像，开启运动，在监控中得到一条折线（图5）.此图像就是研究对象的质量逐次递增情况下的速度－时间图像，据此计算各段加速度，从而易于得出合力一定时，质量与加速度成反比.

图4

图5

2 利用Algodoo软件探究动量守恒定律

动量守恒定律是自然界普遍适应的基本规律之一.它比牛顿定律发现得早，应用比牛顿定律更为广泛，然而它的应用条件，“系统不受外力或所受外力之和为0，这个系统的总动量保持不变”，决定了动量守恒定律，并非在实验室中能够实现的定律.以下为高中阶段教科书中的普遍采用的实验装置：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律（如图6）.

图6

这种方案的设置，阻力的影响并不明显，但在通过落点间接求解速度这一环节上，会产生较大误差.利用Algodoo软件探究动量定理，则尤为简单.

新建一场景，并制作两物块，分别命名m1、m2（图7），设置条件：各接触面阻力为0，忽略空气阻力.开启速度显示，勾选数值.给予左侧m1一个任意大小的、水平向右的初速度，于是碰撞前后两物体的速度，清晰可见.多次改变不同初始状态，通过分析易得动量守恒定律.

Algodoo软件还可以将运动数据以电子表格的形式输出，非常方便我们对数据的进一步分析.

图7

3 利用Algodoo软件演示抽象情境

学生在学习运动学时，有些问题中的研究对象的运动情境，很难想象，因而对题目的求解造成了障碍.对此我们可以借助Algodoo软件简单演示相应情境.

图8

例题.木板M静止在光滑水平面上，木板上放着一个小滑块m（图8），与木板之间的动摩擦因数为μ，为了使得m能从M上滑落下来，求力F的大小范围.

学生分析该题时，由于无法想象其运动情境，对二者相对运动与否无从判断，因而也就无法判断其受力情况.使用利用Algodoo软件，可以十分直观地演示二者的相对运动情境.

新建一场景，制作两物块，并使其叠加.对下面木板加上动力，同时打开两物体的速度监控，调节推力大小，可得推力较小时，二者一起运动；推力较大时二者相对滑动，木块可以从木板上滑落（图9）.

图9

4 结束语

Algodoo是一款趣味性很强的自主学习物理仿真实验平台.学生可以用它来进行虚拟实验，验证已知规律或实验自己的设想.更为重要的是，Algodoo中虚拟实验环境可以由学生自己来搭建，学生可以在教师的指导下独自进行探究.这对培养学生的动手能力和探索能力都大有裨益，同时有助于学习由感性认识上升到理性认识，实现知识的迁移.