物理定律于计算机模拟的研究范文

【摘要】在物理教学过程中，有许多物理现象在日常生活当中无法直接观察，课堂中的演示实验效果不明显，而且费时费力，在市面上也有一些专门用于物理实验模拟的商业软件，但是价格高昂，而且并不一定适合课堂或在家自学，scratch是一种开源免费平台，易学易用，功能完备，能够满足物理定律的模拟，有利于初学者对物理定律的理解和掌握，也可作为教师课堂演示实验的补充。

【关键词】scratch；物理定律；模拟演示

1引言

在物理课堂上，由于教学的需要，需要通过许多演示实验对物理现象进行展示，但是制约实验完成的因素较多，实验仪器较为繁琐，操作不便，常常花了大量时间效果却不明显，导致很多时候实验结果无法准确得出，例如大家所熟知的牛顿第二定律，高中物理实验一般是将打点计时器固定在木板的一端，把砝码和小车系在细线的两端，细线跨过滑轮，砝码的重力作为拉力，让拖着纸带的小车在斜面上做匀加速运动，小车及其上的砝码、线的另一端系着的钩码组成一个运动系统，通过打点计时器打出的点得出物体的位移与时间的关系，需要通过精确的测量与复杂的计算将物体的加速度求出，然后利用牛顿第二运动定律公式F=ma对所得的结果进行验证，但是由于实验器材过于繁琐，其实验过程中也存在大量的系统误差与计算误差，导致很多时候实验结果与理论的结论相差较大，无法将实验与结论有机联系起来，从而导致演示效果较差。Scratch是一种用于程序设计的开源的软件平台，使用者可以很方便的完成程序制作，容易理解，使用方便，可考虑利用scratch对物理定律进行准确的演示。如果在物理课堂上将一些复杂而难以直观观察的实验进行计算机模拟演示，让学生通过对更加直观的观察对这些物理定律有了感观的认识与更深入的理解，从而让演示实验的效果更加明显，不仅操作简单快捷，而且教师也不用担心传统演示实验花了大量时间，效果不明显的情况，为使课堂更加生动、有趣、丰富、高效而助力。

2用于演示物理定律的常用模块

在Scratch当中，有很多用于编程的模块类型，用以完成不同的编程功能，，运算类型的模块是所有模块中的一个大类，我们主要用到外观为圆角矩形的模块，这些模块可以进行加、减、乘、除等基本运算，也能够完成三角函数、指数、对数等常规运算方式。另外还要大量用到的就是数据类型模块，数据类型模块可针对变量进行建立、赋值等操作，因为物理实验中需要用到很多的不断变化的数据，所以此类型的模块不仅是在一般的计算机程序当中运用得很多，在用于演示物理现象的程序中也很重要。

3使用程序进行物理定律演示

我们首先考虑一下演示牛顿第二定律，首先使用新建变量的方式，新建初速度v0、速度v、时间t、质量m、力F、加速度a几个变量，然后为其编辑所示的主程序，在主程序中一开始给几个变量设置一个初始值一开始将物体的初速度v0设为1，然后将初始时间设为0，再把物体的质量设为100kg，然后使用移动模块将角色放到舞台的左侧，使用询问积木要求用户输入力的大小，将回答的值赋值给F备用，再次询问用户质量为多少千克，再将用户回答的质量赋值给m，然后广播一个消息，在另一组程序中，可以通过该程序改变重复执行的次数从而改变物体运动的时间，当接收到了消息，开始计时。与此同时，主程序继续向下运行，进入循环语句，计算出加速度的值，将其赋值给a，由于加速度为定值，且物体的运动为直线运动，所以可用加速度为定值的运动方程，其速度的公式为v=v0+at，并将此值赋给速度v，然后使用移动模块让角色运动。将程序编辑设置好后，就可以开始启动程序，执行该程序时，首先程序将会询问力的大小为多少（如图1所示），通过手动输入力的大小并确认后，程序会再次询问物体的质量为多少千克（如图2所示），再次质量大小并确认后物体就开始以一定的加速度运动，并会得出物体运动的加速度，然后在该程序的左上方实时显示出物体运动的速度v，时间t的变化，而且观察者可以直观的感觉到角色的加速运动。所以，通过演示，学习者既能直观观察物体的运动状态，又可以通过对程序的设定将物体的加速度准确得出，将物体实际运动与其运动的加速度有机联系起来，使得实验简单易懂，非常有利于对知识点的理解和掌握。我们刚才只是对牛顿第二定律进行了模拟，我们再来看看scratch对我们熟知的简谐运动的模拟，简谐运动的运动方程一般表达为x=Acos（ωt+准），速度v=-Aωsin（ωt+准），程序先询问振幅A，角速度ω，初相准，然后我们通过手动输入特定的数值并确认就可以开始执行程序，物体进行简谐运动，通过观察物体的运动情况便可观察简谐运动。我们这里将速度设定为v/100并四舍五入是为了让速度值取整数便于观察，更能清晰地看出物体速度的变化，其次在运动过程中左上角显示出x与t的大小，并在图中实时得出物体运动的速度，通过对这些数据之间的联系观察出简谐运动的基本运动规律。

4结束语

在物理课堂中，大部分演示实验需要用许多物理器材演出其运动规律，但是制约实验完成的因素较多，存在较大误差，很多时候实验结果无法准确得出，常常花了大量时间效果却不明显，所以部分教师甚至由于这样的原因放弃了演示实验，影响教学效果。Scratch是一种用于程序设计的开源的软件平台，容易理解，使用方便，使用者可以很方便的完成程序制作，可考虑利用scratch对物理定律进行准确的演示，对一些较为复杂的物理运动进行较为简单的模拟，让物理的演示实验更加直观易懂，教师不用担心传统演示实验花了大量时间，效果不明显的情况，学生们也会对物理定律有更好的理解与掌握，不仅使课堂更加生动有趣，还有利于提高教学水平，提高教学质量。

参考文献

[1]于宝东.基于创客教育的小学信息技术教学模式构建研究———以Scratch创意编程为例[D].渤海大学，2017.

[2]许玉芳.基于STEAM的小学Scratch创意编程课例设计简[J].电脑知识与技术，2018（24）.

[3]刘海武.基于PicoBoard的Scratch创客校本课程设计与实践[J].中国信息技术教育，2018（17）.

作者：王宇 单位：四川省绵阳实验中学