本文摘要：物理学是建立在实验基础上的科学。受实验条件限制，某些实验在教学中难以完成。数字化实验是对真实实验的有效补充。力学模块中对运动的研究是教学的重点和难点，Algodoo软件在对力学中各种运动的仿真模拟以及对运动过程的数据提取方面有其优势。教师利用该工
物理学是建立在实验基础上的科学。受实验条件限制，某些实验在教学中难以完成。数字化实验是对真实实验的有效补充。力学模块中对运动的研究是教学的重点和难点，Algodoo软件在对力学中各种运动的仿真模拟以及对运动过程的数据提取方面有其优势。教师利用该工具可提高高中物理教学效益。下面，笔者介绍高中物理力学运动知识教学中软件工具的使用方法。
一、仿真匀变速直线运动及定量研究
用图像描述物体的机械运动比较直观，但是，初学者难以将图像和物体的运动对应起来。Algodoo软件能模拟匀速直线运动和匀变速直线运动，并同步绘制运动的位置—时间图像、速度—时间图像、加速度—时间图像等，这对于学生认识图像并将图像和运动对应起来是有帮助的。图像提供了定量的数据，可以用于探究物理问题。笔者以物体做匀变速直线运动的创建及其对其加速度的测定为例介绍实验方法。
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物体质量为1kg，与水平面之间的动摩擦因数为0.5，忽略空气阻力。打开物体的图像窗口，设定横坐标为加速度、纵坐标为时间。运行软件，此时物体静止，加速度为零，图像窗口展示的加速度图像是过原点并与时间轴重合的水平线。这些操作是为了降低测量的精度，使图像更加平滑。
点击复位按钮，然后为物体添加推进器，设定推力为6N。启动后，图像窗口中同步绘制的加速度图像是一条平行于时间轴的线段。图像显示物体的加速度为1m/s2。笔者借助软件引导学生探究加速度与合外力的关系、加速度与物体质量的关系，弥补传统实验过程复杂、用时过长的不足。
二、仿真平抛运动及定量研究
高中物理中，平抛运动是曲线运动部分的重点内容。平抛运动的过程是短暂的，实验中其运动轨迹需要多次记录。获得路径上的几个位置后，实验者才能绘出运动轨迹。笔者用Algodoo软件绘制了一个平抛运动物体的速度—时间图像、高度—时间图像，还绘制了横坐标是非时间的其他图像，如势能—高度图像等。
质量为0.5kg的球从5m高处以2m/s的初速度做平抛运动的情境及其运动过程中的3个图像。软件同时绘出物体的动能、重力势能和机械能随时间变化的图像。从图像可以看出，球在平抛的过程中，其动能在增大，重力势能在减小，而动能和势能的总和，即机械能是不变的。如此实验可以验证机械能守恒定律，这是传统实验难以完成的。
三、仿真碰撞过程及定量研究
利用Algodoo软件可以仿真各种碰撞过程，包括弹性碰撞、完全非弹性碰撞、一般碰撞、正碰和斜碰，还可以完成很多有趣的碰撞实验，如牛顿摆的趣味运动、上下叠放的双球落地后上面的球高速弹跳等。碰撞过程极其短暂，在实验室里完成碰撞过程的数据记录是比较困难的。
质量为0.393kg的球从4m高处落下，球碰撞地面的短瞬间，软件记录碰撞的过程中弹力随时间的变化。由此可以看出，碰撞时间持续0.03s，最大弹力达400N，最大弹力是重力的102倍。碰地前瞬时速度为8.94m/s，估算最大形变量为0.07m。
球的直径是0.5m，直径为50cm的球发生7cm的形变，是比较符合实际的。平时经常遇到不符合碰撞实际的题目，如果用其教学会误导学生。仿真实验及其数据展现能让学生体验到碰撞虽然是瞬间发生的，但依然有一个过程。碰撞力往往是巨大的，可以被人们利用，如锻造工件、打夯机等。碰撞也会给人们带来意想不到的伤害，如车祸等。教师通过仿真实验也可以验证命题时设定数据的科学性。
四、仿真弹簧振子运动及定量研究
机械振动是高中力学部分的难点内容，新课标要求通过实验来认识简谐运动的特征，用公式和图像来描述简谐运动。教学中经常以弹簧振子为例研究简谐振动。实际上，通过弹簧振子研究简谐运动，获得振子运动的速度、加速度和位移等物理量是比较困难的，因为这些物理量是时刻在变化的。用Algodoo软件仿真弹簧振子的运动十分便捷：先创建球和弹簧，再设定阻力和阻尼系数为零即可。
运行软件后，选择移动工具，拖动小球离开平衡位置一定距离后将其释放。小球开始做简谐振动。用软件的图像功能同步绘制小球振动的位移—时间图像、速度—时间图像、加速度—时间图像、动能—时间图像等。图5所示为振子的动能变化图像和弹簧的弹性势能变化图像。从图像可见，振子从位移最大值点到平衡位置的过程中，动能增大，势能减小。从图像上还能读出能量值，用于探究能量转化关系。值得注意的是，Algodoo软件只能绘制对象的速率图像(没有纵坐标的负半轴)，期望软件能够升级并解决该问题。
五、仿真天体运动及定量研究
牛顿发现万有引力定律，这在人类科技史上具有里程碑意义。高中物理的曲线运动部分，万有引力定律及其应用被列为重点内容，是理论联系实际、开展爱国主义教育和科学教育的重要素材。天体运动属于宏观运动，人们无法在实验室完成这些实验。Algodoo软件在模拟天体运动方面有其优势，并且能进行一些项目的定量研究。万有引力常量G是一个很小的常量，只有大质量天体之间的万有引力才显著。
在Algodoo软件中，对象质量设定的上限是1000kg，远远小于天体的质量。实验者可以改变万有引力常量的大小(比如设定G的值为5)，使一般质量物体之间的引力表现明显，从而模拟天体的运动。Algodoo软件能模拟天体运动的类型很多：模拟行星绕恒星的圆形轨道运动和椭圆轨道运动，其中椭圆轨道运动的速度变化遵守开普勒定律;模拟多个行星在不同轨道上绕同一恒星运动，用于比较轨道半径对行星运动速度和周期的影响;模拟双星的运动和三星的运动;模拟航天器的发射过程等。
卫星绕行时速度大小是变化的，近地点速度大，远地点速度小。卫星从近地点到远地点速度变小，从远地点到近地点速度变大，遵守开普勒定律。仿真实验不需要编程，大大降低了操作难度。我们还可以用Algodoo软件的图像功能同步绘制卫星做椭圆运动时的动能随时间变化的图像和卫星引力势能随时间变化的图像。
从图像可以看出，当卫星从轨道的远地点向近地点运动时，其动能变小，而引力势能增大，总的机械能是不变的。软件生成的图像能直观地描述天体的运动，并与天体的运动情境同步，这有利于学生深入思考问题。比如，一些学生观察到，卫星的速度图像和正弦曲线比较接近，但是图像的谷部平缓、峰部尖锐，这与远地点速度大、近地点速度小有关。软件辅助实验为学生深度学习创造了条件。
Algodoo软件非常适于力学实验仿真，可以仿真高中物理遇到的常见运动，还可以仿真其他运动，如球在槽内的运动、齿轮的传动、分子的热运动等，对实体实验器具有一定的弥补作用。需要指出的是，虚拟实验具有省时间、效果显著等优势，但它毕竟不是真实实验，在条件许可的情况下，能做的实验依然要动手完成。
作者：乔永海
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