仿真物理实验室用户手册

仿真物理实验室用户手册内容摘要：

运动及动力学”模块中的刚杆有两种，悬挂刚杆和连接刚杆。 悬挂刚杆一端固定，另外一端连接一个运动对象，具有轻质刚杆的特性。 连接刚杆连接两个运动对象。 具有轻质刚杆的特性。 直线轨道 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 让运动对象穿过直线轨道，小球则会沿着直线轨道运动 ,轨道 上 可以设置摩擦系数。 直线轨道与圆弧轨道可以相互的连接。 在验证动量守恒 的实验中轨道的作用显而易见。 轨道还可以作为具有弹性的板，小球撞上会反弹回来。 轨道对半径为零的运动对象不起作用。 圆弧轨道 它的形状是圆弧形的，其它特性与直线 轨道一样。 下图为运动对象从圆弧轨道滚落下来，并和直线轨道发生碰撞的物理实验，在这个实验中，运动对象的弹性系数被设置为。 钉子 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD钉子对象只可以对悬挂细绳和小球起作用。 对于悬挂细绳，它像真实环境下的钉子一样可以钩住悬挂细绳。 另外小球可以与钉子对象发生碰撞而改变小球的速度。 下图为绳子对单摆小球的阻挡效果。 滑轮 滑轮对象只可以对连接细绳起作用。 创建连接细绳时依次连接：运动对象 滑轮 1...滑 轮 2...、运动对象 2。 辅助点 辅助点是仿真物理实验室中的辅助对象。 可以在辅助点上动态的显示变量的矢量。 它与程序配合使用可以达到十分好的视觉效果与分析效果。 通过绘制辅助点的轨迹，可以展现出任意变量的变化曲线。 在一些例子中，将详细的说明它的妙用。 注释 标签 “运动及动力学”模块提供了两种注释，动态注释和多行注释。 动态注释，用于在实验区域放置文字和符号，您可以用动态注释来说明和介绍您的实验。 您还可以使用它动态的显示实验中的变量，strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD例如：输入“时间 = {t} 秒 ”，其中 t 为时间 变量。 运行实验时，就会在“ {t}”的位置上显示出当前的实验时间。 动态注释还可以作为按钮来使用。 多行注释以多行的方式显示静态的文字和符号。 曲线对象 “ 仿真物理实验室 ” 为用户提供了多种数据输出方式。 使用“变量曲线”对象，可以十分方便的绘制出 各种实验数据的曲线，绘制与分析数据曲线是学习和研究物理的重要方法之一。 在高级应用技巧中，我们将通过一个例子详细的讲述“变量曲线”对象的使用。 实验区坐标系 和实验最小扫描时间 在“运动及动力学 ” 模块 的实验区中，存在一个坐标系，所有的实验都是 以实验区中的坐标系为参照系的。 在创建新的实验时，第一步就是为这个实验设置一个恰当的坐标系，包括对坐标原点位置的确定和坐标比例的设置。 在通常情况下，可以设置坐标比例为默认的比例 10；在一些大尺度的实验中，例如在地球人造卫星中，应该把比例设置为大比例，具体的数值为 1e7（ 1*107） ； 在一些小尺度的试验中，例如在氢原子模型的物理场景中，应该把比例设置为小比例，具体的数值为 1e8（ 1*108）。 所以在创建一个新的实验前，请分析一下多大的比例尺比较合适，这时一个成功的实验的第一步。 “实验最小扫描时间” 这是一个 十分重要的参数。 它的设定直接关系到实验的精度和动画演示的速度。 实验室将以实验最小扫描时间为计算步长，逐步计算实验的状态，并对计算出的状态进行演示。 从理论上讲，实验最小扫描时间越小，实验的精度可能越高；但同时会耗费大量的计算时间，演示的速度也会变慢。 在研究宏观世界中，实验最小扫描时间可以设定的大一些，而研究微观世界时，应设定的非常小。 例如在自由落体实验中设定为 秒左右；在地球人造卫星strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD实验中设定为 1 秒左右就可以了。 而在电场对电子的加速与偏转的实验中应设定为 1e12 秒左右。 在具体制作过程中，可以试着找 一个比较合适的数值。 比如说，你觉得实验运行得太快了，你就可以试着减小这个参数，同时仿真的精度也高了；如果你觉得实验运行太慢了，你就可以试着增大这个参数。 在“实验设置”对话框中可以修改这个参数。 变量及其应用 “仿真物理实验室 —— 运动及动力学”模块 ，支持变量的应用。 软件中的变量有两种，分别是系统变量和自定义变量。 系统变量是指软件自带的变量，例如时间变量 t，器件自带的变量也是系统变量。 软件为几乎所有的物理对象都提供变量支持。 变量可以表示运动对象的位移、速度、外力，也可以表示为匀强电场的电场强度、电场方向 等。 对象变量的命名是以“对象名称 .物理参数”来命名的。 如下图所示，对象的名称为：“电场 1”，则它的电场强度变量为“电场 ”，电场方向的变量为“电场 ”。 自定义变量 是用户自己定义的变量， 自定义变量在“变量编辑器”对话框中进行添加。 从主菜单中点击 [程序 ]—— [变量编辑器 ]菜单，可strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD以弹出“变量编辑器”对话框。 分别输入“ 变量名称 ” 和“初始值”，然后点击“添加”按钮，就可以创建自定义变量了。 在创建自定义变量时，请 使用简单的字母或字母组合，不要出现特殊 符号 ，变量不能重名。 有了这些变量，我们可以在很多的地方使用到 它们。 我们可以用“注释标签”在实验区中输出变量的值；可以用“变量曲线”对象绘制出变量的曲线；还可以用变量通过表达式计算得出新的物理量。 在前面的弹簧振 子实验中，我们已经学会如何使用“变量曲线”对象绘制出变量的曲线。 下面，我们将通过一个小球在下落过程中机械能守恒的例子学习变量的其他用法。  新建实验，把坐标系的原点放在实验区下半部分，设置坐标比例为10。  创建一个运动对象，把它的半径设置为 2，设置它的初位移 X＝ 0，Y＝ 30。  再创建一个直线轨道 对象 ， 把它放置在实验区的下方，如下图所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD为了把这个直线轨道放平，我们要把直线轨道两个端点的 Y 坐标设置为一样的值。  在这个实验中，我们需要考虑重力作用，在“实验设置”对话框中，我们选中“考虑重力作用”这个选项。 这时我们运行实验，小球在做反复的弹跳运动。  接下来，我们通过变量计算出小球的重力势能 Ep=mgh，小球的动能 Ek=*mv2 ，和小球的总机械能 E=Ep+Ek。 点击主菜单中 [程序 ]—— [变量编辑器 ]，在“变量编辑器”中，分 别创建三个变量Ep、 Ek、 E，初始值可以都设置为 0。  点击主菜单中 [程序 ]—— [程序编辑器 ]，在“程序编辑器”对话框中，我们输入计算的表达式，如下图所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD  最后，我们使用注释标签，把计算得到的结果在实验区中显示出来。 从器件箱中，创建一个“动态注释”， 在弹出的“注释设置”对话框中，我们输入以下内容“ 小球的动能＝ {Ek}”，注意要把变量放在 {}中。 如下图所示。 点击“选择字体”按钮可以为注释更改字体或字号。  用同样的方法， 我们再创建出显示小球势能数据和小球总机械能的“动态注释”。 再次运行实验， 我们 能 看到在实验区中 ，动态显示的物理实验数据。 如下图所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 度量功能的应用 “ 仿真物理实验室 —— 运动及动力学模块 ” 为用户提供了度量功能，用户可以度量运动对象、辅助点两两之间的距离和三点形成的角度，并且度量的值可以作为变量。 距离的度量。 可以度量两个运动对象间的距离，两个辅助点间的距离或运动对象与辅助点之间的距离。 点击主菜单中的 [度量 ]—— [距离 ]菜单项，然后依次用鼠标在实验区中点击需要 度量距离的两个对象。 请经常关注在实验区下方状态栏中的提示信息，它能给您的操作带来帮助。 这时，软件会弹出“度量距离设置”对话框。 我们可以为这个度量设置一个变量，然后点击确定按钮。 接下来我们就可以像使用自定义变量一样使用这个度量值了。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 角度的度量 ，角度的度量与距离的度量类似，唯一不同的是， 需要通过三个对象来确定一个角。 例如要度量 ∠ ABC，在点击度量角度的菜单后，依次在实验区中点击对象 A、 B、 C。 需要注意的事，度量的值是以角度为单位的。 曲线对象的应用 “ 仿真物 理实验室 ” 为用户提供了多种数据输出方式。 使用“变量曲线”对象，可以十分方便的绘制出各种实验数据的曲线，绘制与分析数据曲线是学习和研究物理的重要方法之一。 下面我们以弹簧振子为例一起学习“变量曲线”对象的使用。 我们制作一个弹簧振子的物理模型。 然后通过“变量曲线”对象，绘制出振子在振动时的位移 /时间曲线、速度 /时间曲线、加速度 /时间曲线。 最后我们把这个弹簧振子模型放在阻尼介质对象中，并再次观察它的运动状态和曲线。  首先新建一个实验项目，创建一个运动对象，把它放置在坐标原点，并设置它具有竖直方向的初速度 Vy=10 米 /秒。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD  接下来，我们需要创建一个悬挂弹簧，让它一端连接运动对象，另一端固定在坐标（ 0,20）的位置上。 从器件箱中，点击“悬挂弹簧”按钮，然后根据状态栏中的提示，先点击已经创建在实验区的运动对象，再点击实验区中坐标为（ 0,20）的空白位置。 这时会弹出“悬挂弹簧设置”对话框。 我们按下图所示设置弹簧的参数，设置弹簧的倔强系数为 5，弹簧原长为 20，作用类型为“双方向作用”。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD  在这个实验中，我们不需要考虑重力作用，点击工具栏 上的运行按钮就可以运行实验了，记得通过调节“实验设置”对话框中的“实验最小扫描时间”可以调整实验运行的快慢。  接下来，我们创建出一个“变量曲线”对象。 从器件箱中，点击“变量曲线”按钮，然后在实验区中点击鼠标，这时会弹出“变量曲线设置”对话框。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD对话框的左边是用于绘制曲线的坐标纸，用鼠标可以拖动坐标纸中的坐标，改变坐标原点的位置。 在对话框的右上方是设置曲线坐标比例的编辑框，分别可以设置横坐标比例和纵坐标比例。 恰当的比例设置，能让曲线绘制得比较美观。 在坐标比例设置编 辑框的下面是曲线关联变量的设置。 在一个“变量曲线”对象中，可以同时绘制五条曲线。 用鼠标点击曲线的矩形色块可以为曲线设置颜色。 在这个弹簧振子的实验中，我们绘制三条曲线，分别是振子的位移 y随时间变化的曲线，振子的速度 vy 随时间变化的曲线，和振子的加速度 ay 随时间变化的曲线。 我们让这三条曲线的横坐标 X 都关联时间变量 t，三条曲线的纵坐标 Y 分别关联运动对象的位移变量y，速度变量 vy 和加速度变量 ay。 最后点击“变量曲线设置”对话框的确定按钮。  再次运行实验，我们看到在弹簧振子做上下振动的同时，在旁边的变量曲线对象上，也 同时绘制出了各种物理参数的变化曲线。  “仿真物理实验室”能很好的支持我们的探究活动。 我们在这个弹簧振子的实验上，再做一个尝试，我们把这个弹簧振子放在水或者油性介质中，研究它振动的衰减情况。 在软件中，我们可以使用“阻尼介质”对象来模拟存在阻尼的环境。 从“器件箱”中创建出阻尼介质，让它的范围完全包裹住弹簧振子，在弹出的“阻尼介质设置”strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD对话框中，我们选择第一种计算阻尼的方法，并设置参数 N=，K=2。 再次运行实验，我们就能观察到振子的振动曲线发生了如下图所示的变化 ，振动在阻尼介质中发生了衰减。 五． 软件在教学中的应用 1. 在牛顿 三定律教学中 的应用 2. 在万有引力 教学 中的应用 3. 在机械能教学中的应用 4. 在动量教学中的应用 5. 在机械振动教学中的应用 6. 在电场与磁场教学中的应用 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD电学模块 一． 电学模块简介 “仿真物理实验室 —— 电学” 模块 为学生和老师 提供了电源、电阻、仪表、开关等数十种具体的电子元器件。 用户可以利用这些电子元器件，搭建自己的实验电路。 例如连接串联与并联电路、用伏安法测量电阻、测量路端电压、用惠斯通电桥精确测量电阻、用电磁继电器实现 对电路的简单控制等。 实验室还提供灯泡、电铃等元件，使用户设计的电路生动活泼。 在真实的电学实验中，存在安全性风险，并可能造成电学器件的损毁。 现在我们可以利用“仿真物理实验室 —— 电学”模块，进行电学方面的探究与实验，既经济又安全。 二． 软件界面 “仿真物理实验室 —— 电学 ” 模块 的主界面如下图所示。 strengh ofpibly,HPI(013N5)Z4AFGD 软件界面的中间是实验区，是用户搭建 各种电路 和观察实验过程的地方。 实验区的上面是工具栏，工具栏中有常用命令的快捷按钮。 实验区的右边是器件箱，用鼠标点击器件箱中的器件，再在实验区中点击鼠标，就能创建器件。 实验区的下方是状 态栏。 三． 菜单。