软件工具的可视化力在物理教学中的应用

    摘? ?要：力是物理学的核心概念，Algodoo 软件的“可视化力”功能能让我们直观地观察到物体的受力情况及其变化，为物理教学的直观化提供了辅助。在讲解静力学时，涉及到弹力、摩擦力和共点力的合成问题时，可以借助“可视化力”功能创设情境来研究问题;在与力相关的习题教学中，可以用“可视化力”功能来模拟情境，既能显示物体的受力情况，还能显示其运动情境;在破解一些教学难点时，“可视化力”功能会助一臂之力，如静摩擦力的凸凹齿合说等。我们建议，教师要熟悉Algodoo 软件的功能、特点和使用方法，在教学中根据需要制作能解决实际问题的优秀课件，提高教学效益。

    关键词：软件工具;Algodoo;信息技术;可视化力;静摩擦力

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）5-0049-3

    力是物理学的核心概念，在中学阶段，我们可以用弹簧秤测量力，用力传感器研究变化的力的特点。物体之间的摩擦力和弹力的直接测量是有困难的，在教学中我们采用平衡条件或者牛顿定律间接推理出这些力。如何才能直观地观察到这些力及其变化呢？随着信息技术的发展，优秀软件不断涌现，出现了一些能直观显示力的软件。这些软件能把物理情境中物体之间的力直观地显示出来，本文称之为“可视化力”，Algodoo 软件就很好地解决了这一问题。

    1? ? 用Algodoo 实现对象“可视化力”的基本方法

    在Algodoo 的操作界面上，任意创建一个物体或者多个关联物体，然后，点击“可视化”工具（位于界面右上角），勾选“可视化力”，各个物体受到的力就显现出来了，如图1所示。图1中的情境是水平面上的杆斜靠在物块上，物块受到的力显示为重力、弹力。其中，物块弹力被细分为左右两个，分别绘制在与地面接触的两个角上，便于研究物体的转动问题。放大视图后，又显示出杆对物块的压力N和摩擦力T，杆也受到重力、两个弹力和一个摩擦力的作用。

    在Algodoo软件中还能显示空气摩擦力、引力、空气浮力、外部施力、扭矩等13项，如图2所示，有的物理量在大学物理中才能学到。

    如何避免同一接触面的弹力显示为两个呢？如果点面接触或者点点接触，接触点处显示的弹力就是一个了，这比较符合中学物理的学习习惯，避免受力图过于繁杂。对于不需要研究的力，可以不勾选。比如，一个球和一个平面的接触就属于点面接触，接触点显示的弹力就是一个力。软件会显示很多物体的受力，如何去掉不需要研究的物体的受力呢？解决的办法是在不需要显示力的物体上创建一个“固定连接点”（本文称之为“钉子”工具），被 “钉子”固定的物体不再显示其受力。

    2? ? “可视化力”在物理教学中的应用

    如何在教学中创建和应用“可视化力”呢？在新课教学和习题教学中均可以尝试使用。下面结合几个案例来说明。

    2.1? ? 弹力和动态分析

    首先，创建一个矩形物体，再创建一个圆形物体，用圆形物体来切割矩形物体，获得一个槽。这里使用的是快捷菜单“构建固体几何—切割”来实现。再创建两个球形物体，把它們放于槽内，设置两个球的摩擦系数为零。在槽和下面的球上各打一个“钉子”，勾选“可视化力”后，显示出如图3的情境（局部）。

    从图3可以看出，在上面的球上显示了共点的三个力，包括重力、槽面施加的弹力和另一个球施加的弹力，这适用于三个共点力平衡问题的研究。点击“启动”按钮和移动工具，移动下面的球，上面的球因被推而随之运动，其受到的弹力随之变化，这适用于动态受力分析问题的研究。

    2.2? ? 运动过程的受力

    下面以一道板块运动的典型习题为例，介绍如何创设情境并显示力，从而为问题的解决带来便利。

    【题例】 如图4所示，物块A的质量m1=2 kg，物块A静止在光滑水平面上的木板B上，木板B的质量m2=1 kg、长度L=1 m。某时刻物块A以v0=4 m/s的初速度滑上木板B的上表面，在物块A滑上木板B的同时，给木板B施加一个水平向右的拉力F。若A与B之间的动摩擦因数均为μ=0.2，忽略物块A的大小，g=10 m/s2，要使物块A不从木块B右侧滑落，求拉力F应满足的条件。

    新建一个Algodoo文件，设置水平面的摩擦系数为零。打开“显示网格”，创建一个长1 m的长方形物块，设置其质量为1 kg，动摩擦因数为0.2。在长方形物块左上角创建一个小物块，设置其质量为2 kg，动摩擦因数为0.2。然后，设置物块的初速度（x方向）为4 m/s。如何添加拉力F呢？需要用到“推进器”工具。在长方形物块前部创建一推进器，尾部向后，相当于向后喷气，获得相反方向的推力，设置其推力为2 N。在“可视化”菜单里，勾选摩擦力和推进器力，运行软件，物体开始运动，并显示出物体摩擦力和推进器的推力，在它们共速后摩擦力发生了突变，软件均能显示，如图5所示。

    用“可视化力”制作的课件应用到习题教学中，会使抽象的习题情境变得直观，有利于教学难点的突破，这为平时的教学带来辅助，对满足教学的个性化需求提供便利。

    2.3? ? 静摩擦力的微观解释

    摩擦力和静摩擦力的本质是什么，目前尚无定论，存在几种学说，比如粘附说、凸凹齿合说等。静摩擦力为何会随水平外力的增大而增大？学生难以想象，存在思维盲区，我们可以借助Algodoo 软件来给学生带来一个直观的情境。这里我们以凸凹齿合说的动画为例来说明，如图6所示。

    下面介绍具体的制作方法。在新建的Algodoo文件里，创建一个大的长方形物块，再创建一个小的长方形物块。然后放大视图，用“橡皮擦”工具对小物块的下表面和大物块的上表面进行切削，使其表面凹凸不平，去除切下的“碎屑”，把小物块放在大物块的上方。

    按下启动按钮，两物块的粗糙面在重力作用下靠近，由于接触面是参差不齐的，因此大多数齿是分离的，接触的齿中，有的接触面是倾斜的，个别接触面是水平的。

    设置两物块的摩擦系数为零，只考虑齿面之间的弹力。在小物块中间安放推进器（设置推进器的启动键为r），在大物块上面打“钉子”，不显示下面物块的受力，然后开启“可视化力”，只勾选弹力，如图7所示。可以看到，大物块的齿对小物块的弹力的方向各异，有向上的、斜向右的、斜向左的。按动键盘r键，启动推进器，各力的大小和方向开始变化。增大推进器的推力，齿之间的弹力也开始变化，可以发现弹力的水平力分量增大，弹力的水平力分量的合力就是宏观上的静摩擦力，这就能解释静摩擦力随水平外力的增大而增大的原因。继续增大推力，小物块会运动起来，静摩擦力转化为动摩擦力。

    Algodoo“可视化力”功能为物理力学教学的直观化提供了辅助。在讲解静力学时，涉及到弹力、摩擦力和共点力的合成问题时，可以借助“可视化力”功能创设情境来研究问题;在与力相关的习题教学中，可以用“可视化力”功能来模拟情境，既能显示其受力情况，还能显示其运动情境，在运动情境的演示过程中，还可以更换参考系;在破解一些教学难点时，“可视化力”功能会助一臂之力，如静力学的动态分析问题、静摩擦力的变化特点等。我们建议，教师要熟悉Algodoo 软件的功能、特点和使用方法，在教学中根据需要制作能解决实际问题的优秀课件来，提高教学效益。希望 Algodoo 能够成为受我国中学物理教师欢迎的教学工具软件。

    参考文献：

    [1]乔永海，张晓爽.软件工具与高中物理教学深度融合的探索[J].中小学数字化教学，2020（05）：83-85.

    [2]乔永海.用GeoGebra绘制定质量理想气体的三维图像[J].物理教学探讨，2020，38（08）：48-50.

    （栏目编辑? ? 王柏庐）