Box2D在动量守恒定律课件制作中的应用研究

徐晓

Box2D是一个可以自动管理物体的不同状态（碰撞、弹跳等）、模拟2D刚体物体的物理引擎，其通过创建各种刚体来实现不同效果。在中学阶段，物理学科中动量守恒定律的内容涉及物体运动、物体碰撞等状态，教师可以通过物理引擎Box2D来进行模拟与控制。笔者利用Flash制作了中学物理动量守恒定律课件，并运用Box2D物理引擎更好地实现了物理过程，希望学生能够更直观、具体地认识物理知识，以及深层次地理解和应用。

● Box2D简介

最初，Box2D是用C++语言编写的一个开源的二维物理仿真引擎，因很受欢迎所以衍生出ActionScript3的版本。目前Box2D源文件有两个版本——2.0.2与2.1a，2.0.2为早期版本，文档较详细，在2.0.2基础上，2.1a做了修改，是新版本，本文介绍的是Flash版。

Box2D具有简单、有效、实用的特点，可以设置物体的质量、弹性、摩擦力、添加铰链及弹性约束等状态。关于物理中碰撞类、运动规律类、刚体动力等实验物理，教师可通过Box2D构建实现。

● 基于Box2D的动量守恒定律课件制作分析

1.动量守恒定律教学中的问题分析

（1）对碰撞问题的理解不透彻

中学阶段的学生拥有一定的逻辑推理和科学想象能力，但实验操作能力不成熟，虽善于观察周边的生活，但往往是从感性的角度总结归纳物理知识，缺乏理性的思考，容易得到一些与科学背道而驰的观点。同时，学生对动量概念理解不透，对碰撞问题的理解比较单一，无法进行系统分析。从机械能损失分类来看物理中的碰撞问题，三种碰撞之间的动量守恒与否，以及动能损失情况对学生来说是难点，他们的逻辑推理、科学想象能力还有待提高。

（2）缺乏知识迁移与实际运用能力

学生在中学阶段已建立良好的感性认识，通过知识建构，可以顺利过渡到物理学习中的最近发展区。但在实际生活中，缺少物理知识的学习情境，学生在知识迁移、实际运用解决问题等方面有些薄弱。

例如，在动量守恒定律内容上，对于子弹打木块类问题，学生无法对某个系统动量守恒与否进行准确判断，在应用动量守恒条件时感到困惑，不能顺利进行迁移，并解决问题。在动量守恒定律内容的应用中，在人船模型问题中，速度v和质量m，拓展到位移s、质量m上面，这个问题的解决对大部分学生来说，相当棘手。

2.动量守恒定律课件的功能分析

从系统的角度来说，在子弹打木块类碰撞问题上，子弹、木块与弹簧三者作为整体，子弹射入木块到弹簧缩至最短，这个过程中固定端的墙壁对弹簧有外力作用，因此动量不守恒;子弹射入木块过程中存在摩擦，有部分能量转为内能，因此机械能不守恒。若分阶段来分析，子弹射入木块的一瞬间，子弹与木块二者为一个系统，则认为动量守恒;子弹射入木块中间的压缩过程，机械能守恒，动量不守恒。通过对阶段进行分析，得出一定的物理规律。在物理学习中，对问题分析划分、过程选取，需要进行二次判断从而正确进行分析。

● 动量守恒定律课件的实现设计

1.碰撞管理

在碰撞中，发生碰撞的两个物体在碰撞前后的区域是不限定的，这样的情况下，物体的初始和碰后移动的区域就发生了变化，而画面的极速跳转不利于学生观察动画，影响其思维转换。在基于Box2D的动量守恒定律课件中，利用Box2D的Box2D.Collision（碰撞、监测类）中的b2AABB坐标类来实现区域的限定，对碰撞进行管理，可使碰撞的效果更佳。

在这个限定区域两个物体发生碰撞，通过这种设置使得物体的碰撞前后的位移能够得到精确的计算，在分析碰撞后的动量是否守恒、动能是否有损失、有多大损失方面进行探讨，通过分析，学生对弹性、非弹性以及完全非弹性碰撞三类问题进一步加深理解。

2.碰撞检测

通过对一般动量守恒定律课件的分析，在兩个物体碰撞时并没有进行碰撞检测和管理，这样物体经常被卡住不能前进或者穿越了障碍。在动量守恒定律课件制作中，Box2D物理引擎的碰撞检测要求为：在一般场景内，物体可以平行移动;遇到台阶（一定高度内），可自动上去，若台阶过高，则需要把人挡住;遇到斜坡（斜率较小），可顺利上去，否则把物体挡住。需要注意的是，当被挡住前进方向时，应尽量让人物沿合理方向下滑，不能被迫停住。整个过程需要做到稳定、精确，防止物体因为特殊情况，穿出或掉出场景。在Box2D物理引擎中，通过Box2D.Dynamics（动态类）中的b2ContactListener（用来获取碰撞结果类）来完成，代码中，首先需要写一个继承自b2ContactListener的类（如图1）。

3.碰撞实现

基于Box2D实现动量守恒定律课件的功能设计分析，为Box2d的b2World对象加入listener（代码如图2），来实现碰撞。最后，对myListener的isWin和isLost属性进行判断即可。

将Box2D物理引擎引入物理实验的设计活动中，可简单、高效地进行物理实验教学课件的开发，使得物理实验效果更加真实。同时，这种方法可在其他多媒体课件中应用。

● 研究总结

基于Box2D实现模拟物理实验，如游弋在一个与现实世界截然不同且又能很好地理解的物理世界，Box2D在动量守恒定律课件制作中的应用研究，就是人们对物理引擎在物理课件中应用的不断深入认知与创新。笔者也相信，目前物理引擎应用于物理学课件中的方法会被更好的方法取代。