1、仿真物理實驗室軟件用戶手冊目錄：仿真物理實驗室軟件簡介 2.運動及動力學模塊 3.一運動及動力學模塊簡介 3.二軟件界面 4.三菜單與工具欄快捷按鈕 5.四操作指南 8.1.第一個簡單的實驗 8.2.實驗設置對話框 1.43.運動和動力學模塊中的器件 1.74.高級應用技巧 2.5.五 軟件在教學中的應用 35仿真物理實驗室軟件簡介“仿真物理實驗室是針對物理教學而設計的一個全新概念的開放性教學 平臺、課件制作平臺和物理實驗仿真平臺。它由運動及動力學、電學、光學三部 分組成。它為用戶提供了一個實驗器具完備的綜合性實驗室， 用戶可以親自動手 創立所能想象的所有物理場景。“仿真物理實驗室運動及動力學

2、模塊提供了小球、彈簧、繩子、連 桿、軌道、電荷等各種運動對象，并集成了重力場、電場、磁場、萬有引力等物 理環境。用戶可以在任意組合的物理環境中， 搭建自己的實驗。 從自由落體運動、 平拋運動，到驗證機械能守恒與動量守恒；從單擺、牛頓擺，到彈簧振子；從帶 電粒子在電場中的加速與偏轉，帶電粒子在磁場中的圓周運動，到粒子加速器， 粒子速度選擇器模型；從地球人造衛星，到太陽系的運行， “仿真物理實驗室 運動及動力學模塊都能夠進行仿真。“仿真物理實驗室電學模塊提供了電源、電阻、儀表、開關等數十 種具體的電子元器件。 用戶可以利用這些電子元器件， 搭建自己的實驗電路。 例 如連接串聯與并聯電路、 用伏安法

3、測量電阻、 測量路端電壓、 用惠斯通電橋精確 測量電阻、 用電磁繼電器實現對電路的簡單控制等。 實驗室還提供燈泡、 電鈴等 元件，使用戶設計的電路生動活潑。“仿真物理實驗室光學模塊提供了方型玻璃磚、三角形玻璃磚、棱 境、理想凸透鏡、理想凹透鏡、凸面鏡、凹面鏡、光線等實驗器件。用戶可以在 任意組合的實驗環境中， 搭建自己的實驗。 例如平面鏡的反射實驗， 介質的折射 實驗，介質的全反射實驗， 凸透鏡的會聚實驗等等。 “仿真物理實驗室光學 模塊不但能夠進行仿真，還可以為用戶演示整個物理過程的詳細情況。“仿真物理實驗室功能強大、操作簡單、交互性強并具有可探究性。它 是物理教師的課件制作平臺，物理課堂的

4、教學平臺和學生的探索性學習平臺。運動及動力學模塊一.運動及動力學模塊簡介“仿真物理實驗室一一運動及動力學，為學生和老師提供了一個自由而開 放的實驗環境。模塊提供了小球、彈簧、繩子、連桿、軌道、電荷等各種運動對 象，并集成了重力場、電場、磁場、萬有引力等物理環境。用戶可以在任意組合 的物理環境中，搭建自己的實驗。從自由落體運動、平拋運動，至V驗證機械能守 恒與動量守恒；從單擺、牛頓擺，至U彈簧振子；從帶電粒子在電場中的加速與偏 轉，帶電粒子在磁場中的圓周運動，到粒子加速器，粒子速度選擇器模型；從地 球人造衛星，到太陽系的運行，“仿真物理實驗室一一運動及動力學模塊都能 夠進行仿真。與其他的教育軟件

5、所不同，“運動及動力學模塊，具有強大的開放性。開放的器件支持相互之間的任意組合和物理量的自由設置。這是一個能真正表達出 用戶探究能力的教育軟件。“運動及動力學模塊還為用戶提供了各種實驗數據的顯示與分析方法。用戶可以用標簽動態的顯示實驗數據，通過矢量的變化表示數據，也可以繪制各 種數據的關系曲線，例如V/T曲線、S/T曲線等。強大的數據表現能力，能夠幫 助學生從實驗現象分析運動的規律。軟件界面“仿真物理實驗室一一運動及動力學的主界面如下列圖所示軟件界面的中間是實驗區，是用戶搭建實驗和觀察實驗過程的地方。實驗 區的上面是工具欄，工具欄中有常用命令的快捷按鈕。實驗區的右邊是器件箱， 用鼠標點擊器件箱

6、中的器件，再根據提示在實驗區中點擊鼠標，就能創立器件。 實驗區的下方是狀態欄，狀態欄顯示當前鼠標的坐標位置，并顯示必要的操作提 示信息。菜單與工具欄快捷按鈕軟件的主菜單及功能如下：文件 新建 ： 創立一個新的實驗工程。翻開： 翻開一個已經存在的實驗工程。瀏覽翻開 ： 另一種翻開實驗工程的方式，可以在翻開前瀏覽實驗項 目的內容。保存： 保存當前的實驗到磁盤文件。另存為 ： 保存當前的實驗到新文件名。保存為圖片 ： 把當前實驗區的內容，以圖片文件保存下來。打印設置 ： 設置打印的相關信息。打印： 打印實現區中的圖像。退出： 退出軟件。編輯 實驗設置 ： 彈出“實驗設置對話框，在“實驗設置對話框中，

7、 可以對實驗室的根本環境、物理常量進行設置。創立：從創立 菜單的子菜單項中選擇需要創立的對象，在實 驗區中根據提示點擊鼠標，可以創立出所需的對象。調整參數 ： 彈出“調整參數對話框。當有對象被放置在實驗區之 外，無法通過鼠標點選時，必須通過“調整參數對話 框選擇相應的對象。復制： 復制當前實驗區中，選中的對象，到剪貼板。剪切： 復制當前實驗區中選中的對象到剪貼板，并在實驗區中 刪除此對象。粘貼： 把之前復制到剪貼板中的對象，粘貼到實驗區中。刪除： 刪除當前選中的對象。屬性： 彈出當前選中對象的“屬性對話框。設置底色 ： 設置實驗區的背景顏色。放置底圖 ：放置一張圖在實驗區中，作為背景。去除底圖

8、 ：去除背景圖片。等勢面 ： 繪制由點電荷對象形成的電勢的二維等勢面。電力線 ： 繪制由電電荷對象形成的電勢的二維電力線。度量 距離 ： 度量運動對象之間、輔助點之間或運動對象與輔助點之 間的距離，并把度量值顯示在實驗區中。角度： 度量運動對象、輔助點構成的角度，并把度量值顯示在 實驗區中。程序 變量編輯器 ： 彈出“變量編輯器對話框，用戶可以在此對話框中， 自定義變量。 程序編輯器 ： 彈出“程序編輯器對話框，用戶可以在此對話框中， 編寫簡單格式的腳本語言以實現較為復雜的實驗控制。運行 運行實驗 ：運行實驗區中的實驗。停止實驗 ： 停止實驗區中的實驗。暫停/繼續：暫停/繼續實驗區中的實驗。實

9、時數據輸出設置 ： 點擊此菜單項，再在實驗區中點擊運動對象，在運行實 驗時，軟件會實時輸出此運動對象的根本實驗數據。 “仿 真物理實驗室對數據的顯示有多種方法，這種方法只 是其中之一。實驗數據曲線 ： 點擊此菜單項，可以彈出“實驗數據曲線對話框，可 以通過設置此對話框來繪制運動對象的數據曲線。除此 之外，也可以通過曲線對象來繪制各種實驗數據的曲線 圖。查看閃照時刻實驗數據 ： 彈出“閃照數據輸出對話框，在此對話框中記錄了運 動對象在閃照時刻的數據，此功能需要配合運動對象的 閃照功能。視圖 工具欄 ：顯示/隱藏“工具欄。器件箱 ：顯示/隱藏“器件箱狀態欄:顯示/隱藏“狀態欄。在工具欄上顯示提示信

10、息:在“工具欄上顯示或隱藏與操作相關的提示信息。顯示提示信息，能在用戶創立器件時提供幫助。幫助幫助：翻開軟件的幫助。關于仿真物理實驗室顯示“仿真物理實驗室的相關信息。軟件的工具欄及快捷按鈕功能如下:D e 口邕 新建翻開保存打印播銷重做復制 粘貼 冊疇 雇性設肯回 回運行停止?幫助工具欄上的快捷按鈕，對應同名的菜單項功能四.操作指南1.第一個簡單的實驗我們來做一個自由落體運動與平拋運動的實驗。通過這個實驗，我 們可以了解“運動及動力學模塊制作實驗的一般過程。首先點擊工具欄上的“新建按鈕，創立新的實驗工程。這時在實 驗區中，出現了一個十字交叉線，并且跟隨著鼠標一起移動。這個 十字交叉線就是實驗中

11、的坐標，首先我們要確定把這個坐標原點放 在什么位置上。在這個實驗中，我們讓小球從實驗區的左上方開始 做自由落體運動，所以就把坐標原點放在靠近左上方的位置。在實 驗區的左上方點擊一下鼠標左鍵。這時彈出了“坐標比例設置窗體。坐標比例設置請為新的冥驗設貫恰當的坐標比例屏幕距離：>相當于真冥距離：|Eo米提示:在做平拋運動時設置成10比擬合逞在大尺度，如地球衛星中,U7tt較適宜在小尺度，如原子複型中> "-&比擬適宜諸根據具體實驗場景的大小選擇適當的比例-在這個窗體中，我們要根據具體的實驗給這個坐標設置一個比例尺。 在這個實驗中，我們設置那樣的屏幕距離為 10米。按確定

12、按鈕。提 示:在做平拋運動時，設置成10比擬適宜，在大尺度，如地球衛星中, 1e7比擬適宜，在小尺度，如原子模型中，1e-8比擬適宜。請根據具 體實驗場景的大小選擇適當的比例。現在實驗的坐標已經確定了。在實驗區的右邊彈出了一個豎直的窗 體，這就是“器件箱。在“器件箱中您可以看到很多的實驗器件。 在這個實驗中我們需要一個“運動對象。在“器件箱中點擊一下壬對廿 乞 按鈕。再在實驗區中點擊一下鼠標左鍵。這樣就把這個運動對象放置在了實驗區中。請您注意界面下方狀態欄中的提示，它會給你實時的幫助。這時彈出了“運動對象設置窗體。在這個窗體中，我們對這個運 動對象的各種物理參數進行設置。質量：1千克；半徑：1

13、米為了 顯示時的清楚；初位移都設置成0;并設置水平方向的初速度 Vx : 0米/秒。再按確定按鈕。現在我們看到在實驗區中有了一個小球。我們還需要在實驗環境中考慮重力的作用。點擊工具欄上的廠二 按鈕。彈出“實驗設置對話框，在這個對話框中我們可以對實驗的大環境及一些物理常量 進行設置。在自由落體運動與平拋運動的實驗中，我們要考慮重力 作用，所以選中“考慮重力作用，然后點擊確定。下面我們就可以運行實驗了。用鼠標點擊工具欄上的“運行按鈕 旦-亠，小球便開始做自由落體運動了。點擊工具欄上的“停止按回鈕丄，可以停止正在運行的實驗。接下來，我們要修改小球的屬性，讓它以15米/秒的水平初速度做平 拋運動。在實

14、驗停止狀態下，用鼠標右鍵在實驗區中點擊那個小球， 在彈出的菜單中選擇“屬性，彈出“運動對象設置對話框。我們 把運動對象的水平初速度 Vx設置為15米/秒，然后點擊確定按鈕。 再次運行實驗，小球就做平拋運動了。仿真物理實驗室為用戶提供了多種實驗數據顯示方式。在實驗停止 狀態下，從主菜單中點擊運行實時數據輸出設置菜單，然后 在實驗區中點擊小球，在彈出的“實時數據輸出設置對話框中點 擊確定按鈕，再運行實驗，小球在運動時的數據就能被實時的顯示 出來。我們還可以通過閃光照片的方式輸出運動對象的實驗數據。翻開運 動對象的屬性窗體，用鼠標點取多頁夾中“閃照設置頁。如下列圖 所示：物理屬性|外觀屬性丨動態顯示

15、 閃照設置 變量列表丨自定叟變量I幫助信息I硬進行閃照處理閃照周期：秒17閃照點顯示時間位務顯示 rx分量值 廠Y分量值速度顯示 臣Vx分童值 兩 Vy 分 lilfS加逸度顯示廠ax分量值廠ay分量值廠加速度絕對值廠加速度角C 廠 廠速度絕對值 速度角° 速度矢量|P加速度矢量|廠速度Vx分矢童 廠速度Vy分矢量廠 廠加速度32分矢量 加速愷ay分矢量被動力矢量廠顯示彈黃的彈力廠顯示繩千和剛桿的力 r顯示支持力廠顯示摩擦力其它力矢重廠顯示電場力廠顯示洛侖茲力廠顯示重力矢量廠顯示人対外力矢量 廠顯示合力的矢童應有效Enable)P 可見(visible! &確定I X取消我們

16、選中“進行閃照處理選項，并設置閃照周期為0.5秒，選中“閃照點顯示時間，在閃照時，軟件不但可以在實驗區中留下運動對象的照片，而且可以在照片的旁邊同時顯示出運動對象在閃照時刻的 各種物理量，可以顯示出數值，或以矢量方式顯示。在這個平拋運 動的實驗中，我們選擇在閃照時刻顯示出小球的“ Vx分量值、“Vy 分量值、“速度矢量和“加速度矢量。最后點擊確定按鈕。再次運行實驗，我們可以看到如下列圖所示的閃照效果通過這個例子，您已經學會了用“仿真物理實驗室一一運動及動力 學模塊制作物理實驗的一般方法。總的來說制作的過程是這樣的：1.新建一個實驗工程，根據具體的實驗要求，確定坐標的位置，并設置坐標的比例；2.

17、點擊工具欄上的實驗設置按鈕 咱，在“實驗設置對話框 中對實驗的大環境，和一些參數進行設置；3.從“器件箱中，選擇器件， 放在實驗區中，并設置它們的屬性；4運行實驗，修改參數，研究實驗過 程，分析其中的物理規律。采用恰當的數據輸出方式，這將有助于您對實 驗過程的分析。如果您是一位老師，使用“仿真物理實驗室輔助您的物理教學， 能夠幫助您的學生，提高對物理學的興趣，并引導他們由淺入深的學習物 理定律。如果您是一位學生，“仿真物理實驗室可以成為您學習物理的 玩具，它在幫助您學習物理的同時，還能提高您的自主能力和探究能力。2.實驗設置對話框“實驗設置對話框是“運動及動力學模塊中非常重要的對話框。 在幾乎

18、所有的實驗制作中，都需要用到這個對話框。在“實驗設置對 話框中，包括對實驗室物理環境的設置功能設置、物理常量的設置、 實驗掃描時間的設置、數據輸出有效位數或小數位數設置、矢量顯示設2.1功能設置“考慮重力作用選項：中選中此選項時，所有的運動對象都將受到 地球重力的作用，在自由落體運動、平拋運動，單擺等實驗中，需要 選中此選項。有些實驗可以忽略重力的影響，例如帶電粒子的加速與 偏轉實驗，就不要選擇此選項。“考慮運動對象間電荷吸引 選項：“運動及動力學模塊提供了點電 荷對象，點電荷對象能對帶有電量的運動對象產生吸引或排斥。同樣 由于運動對象本身可以帶有電量，它們之間也能產生靜電力。在有些 實驗中，

19、為了防止運動對象之間靜電力的干擾，可以不選擇此選項。 軟件在默認狀態下，不選擇此選項。“考慮運動對象間萬有引力選項：“運動及動力學模塊提供了萬有 引力質心對象，萬有引力對象能對運動對象產生萬有引力。同樣由于 運動對象本身具有質量，它們之間也能產生萬有引力。在有些實驗中, 為了防止運動對象之間的萬有引力的干擾，可以不選擇此選項。軟件 在默認狀態下，不選擇此選項。“考慮運動對象間的碰撞 選項：中選中此選項時，運動對象之間可 以像臺球一樣發生碰撞。不同的碰撞效果，由運動對象屬性中的“彈 性系數決定。如果兩個運動對象的“彈性系數都是 1,那么它們之 間的碰撞就是完全彈性碰撞。 “彈性系數的取值范圍是

20、0,1。軟件在 默認狀態下，不選擇此選項。“考慮相對論 選項：在運動對象可能具有接近光速的實驗中，應該 選中“考慮相對論選項，軟件會根據相對論方程對粒子的速度和質 量進行修正。例如，在做螺旋粒子加速器的實驗中，就應該選中此選 項。軟件在默認狀態，不選擇此選項。“顯示坐標系 選項：選中此選項， 能在實驗區中顯示出參考坐標系。 “顯示坐標格 選項：選中此選項， 能在實驗區中顯示出寬大的網格。 “顯示細網格 選項：選中此選項， 能在實驗區中顯示出細密的網格。 “加粗線條 選項：為了使軟件在進行投影機投影時，具有清晰的顯 示效果，可以選中此選項，它將加粗所有的線條寬度。2.2物理常量設置“重力加速度：

21、軟件默認的重力加速度為 9.8。用戶可以根據一些特 殊的需要修改重力加速度的值，例如，在教學中為了便于計算，把重 力加速度設置為 10。月球上的重力加速度約為地球上的 1/6，如果要 在月球上做自由落體運動或平拋運動的實驗，可以把重力加速度設置 為 1.6 。“萬有引力恒量：牛頓萬有引力公式中的G,它是一個常量，數值為 6.672e-11。“靜電力恒量：庫倫定律中的k，它是一個常量，數值為9e09。“真空光速：光在真空中傳播的速度，軟件中默認為 3e08。 2.3數據輸出設置“運動及動力學模塊可以通過“注釋標簽對象在實驗區中，動態 的顯示出各種數據。有兩種方式可以控制輸出數據的格式，按指定的

22、有效位數輸出數據，選中“數據輸出有效位數選項，并在后面的編 輯框中輸入有效位數；按指定的小數位數輸出數據，選中“數據保存小數位數選項，并在后面的編輯框中輸入需要保存的小數點位數。2.4實驗最小掃描時間設置“實驗最小掃描時間 這是一個十分重要的參數。它的設定直接關系 到實驗的精度和動畫演示的速度。實驗室將以實驗最小掃描時間為計 算步長，逐步計算實驗的狀態，并對計算出的狀態進行演示。從理論 上講，實驗最小掃描時間越小，實驗的精度可能越高；但同時會消耗 大量的計算時間，演示的速度也會變慢。在研究宏觀世界中，實驗最 小掃描時間可以設定的大一些， 而研究微觀世界時， 應設定的非常小。 例如在自由落體實驗

23、中設定為 0.0002秒左右； 在地球人造衛星實驗中 設定為 1 秒左右就可以了。而在電場對電子的加速與偏轉的實驗中應 設定為 1e-12 秒左右。在具體制作過程中，可以試著找一個比擬適宜 的數值。比方說，你覺得實驗運行得太快了，你就可以試著減小這個 參數，同時仿真的精度也高了；如果你覺得實驗運行太慢了，你就可 以試著增大這個參數。“每脈掃描次數 是指在一次封閉的計算中， 連續計算實驗最小掃描 時間的次數。例如：實驗最小掃描時間 是 0.001 秒，每脈掃描時間是 100，那么在演示中以 0.1 秒實驗時間為單位進行刷新；一般設定為 100 比擬適宜。“暫停時刻 如果把它設置成一個非零的值，軟

24、件將每隔等于此值的 時間暫停一次，以便于分析和研究實驗現象和數據。2.5 矢量顯示設置 點擊“矢量顯示設置按鈕，可以彈出“矢量顯示設置對話框，如 下列圖所示。在此對話框中，可以對所有矢量的顏色、顯示比例進行設置。3.運動和動力學模塊中的器件在這一章中，我們將介紹“仿真物理實驗室一一運動及動力學模 塊中的各種器件和對象。這些器件和對象，是我們搭建各種實驗的根本材 料。只要我們全部了解了這些對象，仿真物理實驗室將真正成為您手中的 物理玩具。3.1運動對象運勁對束運動對象是運動的載體，也是我們研究的對象。在運動及動力學 實驗中運動對象是不可缺少的。在自由落體、平拋運動中它可以作為 單純的質點；在驗證

25、動量守衡的實驗中它可以作為有半徑的小球；在 加速電場實驗、帶電粒子在磁場中的運動實驗中它又可以作為帶有電 荷的粒子。自由設定它的參數，您可以得到靈活的應用。運動對象可 以顯示成一個小球，也可以在運動對象上貼上一幅小圖，顯示成飛機 汽車等。運動對象的參數設置窗體如下列圖。“運動對象設置對話框，有多頁組成，在“物理屬性頁面中, 可以設置運動對象的根本物理屬性，包括運動對象的質量、初位移、 初速度、所受外力、所帶電量、彈性系數等。在“外觀屬性頁面中， 可以為運動對象選擇顏色，或貼上一幅圖。在“動態顯示頁面中， 可以設置運動對象在實驗運行時，以矢量的形式顯示各種關于它的物 理參數。“閃照設置頁面，控制

26、著運動對象的閃照功能，在前面的平 拋運動實驗中，我們已經使用了閃照功能。在“變量列表頁面中， 有軟件為每個運動對象的物理參數所定義的變量，在后面的高級應用 技巧中，我們將詳細介紹變量的應用。3.2滑塊、平板與斜面滑塊平板抖面滑塊對象：滑塊是只能放在平板或斜面上的特殊運動對象，和平板、斜面配合使用。在同一平板上的滑塊之間可以發生碰撞。滑塊還可以放在斜面上。滑塊與平板、斜面之間可以設置摩擦系數。平板對象：水平的板，可以在水平方向上滑動。在上面可以放置 滑塊。平板與滑塊之間、平板與地面之間都可以設置摩擦系數。斜面對象：可以水平滑動的斜面，上面可以放置滑塊。斜面的傾 斜方向和傾斜角度都可以設置。斜面與

27、地面之間可以設置摩擦系數。滑塊與平板或斜面可以組成研究動量和動能的雙體系統，典型的模型如下列圖所示。3.3點電荷介紹等勢面與電力線的繪制點電荷是僅帶有一定電量的實驗器件。實驗中它固定不動，對帶 電的運動對象例如帶電小球、質子、電子等產生吸引或排斥的力 的作用。在研究庫侖定律、電力線、電場強度、電勢能等的物理模型 中都要使用到點電荷。“仿真物理實驗室可以繪制點電荷形成的等勢面和電力線。首先，我們要在實驗區中創立至少一個點電荷對象。點擊主菜單中的 編 輯等勢面菜單項可以在實驗區中繪制出等勢面；點擊主菜單中 的編輯電力線菜單項可以在實驗區中繪制出電力線。兩個點電荷對象形成的等勢面與電力線3.4萬有引

28、力萬有引力質心只有質量，根據萬有引力定律對運動對象產生吸引力。它本身是不會運動的。例如：在人造衛星的實驗中，可以用它來模擬地球。在地球繞太陽的運動中，它可以模擬太陽 3.5勻強電場勻強電場是實驗區中的一個矩形區域， 區域中的電場強度處處相 等，電場強度可以自由設置，電場方向在0360度的范圍內可以任意設置。帶有電量的運動對象在勻強電場中將受到電場力的作用。在電 場對帶電粒子的加速與偏轉實驗中就要使用到勻強電場。把勻強電場 和勻強磁場組合在一起，更可以設計出粒子加速器、荷質比儀等高級 的實驗設備。下列圖為帶電小球在勻強電場中的加速與偏轉。3.6勻強磁場勻強磁場是實驗區中的一個矩形區域， 區域中的

29、磁感應強度處處相等，磁感應強度可以自由設置，磁場方向只有垂直向內和垂直向外帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動3.7阻尼介質阻尼介質阻尼介質以設定的計算方法對進入阻尼區域的運動對象產生阻力。在空氣中，為什么羽毛下落的比石頭慢，在做落體實驗時，設置 一個阻尼介質可以看出它對運動對象的影響。在彈簧振子的阻尼振蕩實驗中，也需要阻尼介質3.8彈簧懸掛弾簧“仿真物理實驗室運動及動力學模塊中的彈簧有兩種，懸 掛彈簧和連接彈簧。懸掛彈簧的一端固定，另一端連接一個運動對象， 也可以連接滑塊。它本身沒有質量，具有真實世界彈簧的特性，遵循 胡克定律。例如：在研究胡克定律，彈簧振子的實驗就中需要使用懸 掛彈簧。連接彈

30、簧的兩端分別連接兩個運動對象或滑塊。它沒有質量,具有真實世界彈簧的特性，遵循胡克定律。3.9繩子“運動及動力學模塊中的繩子有兩種，懸掛細繩和連接細繩。 懸掛細繩一端固定，另一端連接一個運動對象，具有繩子的特性。制 作單擺的物理模型，和制作牛頓擺都需要使用懸掛細繩。連接細繩用 于連接兩個運動對象，具有繩子的特性。3.10剛桿0 “懸掛剛桿連接剛剛千“運動及動力學模塊中的剛桿有兩種，懸掛剛桿和連接剛桿。 懸掛剛桿一端固定，另外一端連接一個運動對象，具有輕質剛桿的特 性。連接剛桿連接兩個運動對象。具有輕質剛桿的特性。3.11直線軌道直線軌道讓運動對象穿過直線軌道，小球那么會沿著直線軌道運動，軌道上可

31、 以設置摩擦系數。直線軌道與圓弧軌道可以相互的連接。在驗證動量 守恒的實驗中軌道的作用顯而易見。軌道還可以作為具有彈性的板， 小球撞上會反彈回來。軌道對半徑為零的運動對象不起作用。3.12圓弧軌道Cz圓弧軌道它的形狀是圓弧形的，其它特性與直線軌道一樣。下列圖為運動對 象從圓弧軌道滾落下來，并和直線軌道發生碰撞的物理實驗，在這個 實驗中，運動對象的彈性系數被設置為 0.8。3.13釘子釘子釘子對象只可以對懸掛細繩和小球起作用。對于懸掛細繩，它像真實環境下的釘子一樣可以鉤住懸掛細繩。另外小球可以與釘子對象發生碰撞而改變小球的速度。下列圖為繩子對單擺小球的阻擋效果3.14滑輪/©滑輪滑輪對

32、象只可以對連接細繩起作用。創立連接細繩時依次連接:運動對象1滑輪1.滑輪2、運動對象2。3.15輔助點輔助點輔助點是仿真物理實驗室中的輔助對象。可以在輔助點上動態的 顯示變量的矢量。它與程序配合使用可以到達十分好的視覺效果與分 析效果。通過繪制輔助點的軌跡，可以展現出任意變量的變化曲線。 在一些例子中，將詳細的說明它的妙用。3.16注釋標簽“運動及動力學模塊提供了兩種注釋，動態注釋和多行注釋 動態注釋，用于在實驗區域放置文字和符號，您可以用動態注釋來 說明和介紹您的實驗。您還可以使用它動態的顯示實驗中的變量， 例如：輸入“時間=t秒，其中t為時間變量。運行實驗時, 就會在“ t 的位置上顯示出

33、當前的實驗時間。動態注釋還可以作 為按鈕來使用。多行注釋以多行的方式顯示靜態的文字和符號。3仃曲線對象“仿真物理實驗室為用戶提供了多種數據輸出方式。使用“變量曲線 對象，可以十分方便的繪制出各種實驗數據的曲線，繪制與分析數據曲線是學習和研究物理的重要方法之一。 在高級應用技巧中，我們將通過一個 例子詳細的講述“變量曲線對象的使用。4.咼級應用技巧4.1實驗區坐標系和實驗最小掃描時間在“運動及動力學模塊的實驗區中，存在一個坐標系，所有的實驗都是以實驗區中的坐標系為參照系的。在創立新的實驗時，第一 步就是為這個實驗設置一個恰當的坐標系，包括對坐標原點位置確實 定和坐標比例的設置。在通常情況下，可以

34、設置坐標比例為默認的比 例10;在一些大尺度的實驗中，例如在地球人造衛星中，應該把比例 設置為大比例，具體的數值為1e7 (1*107);在一些小尺度的試驗中， 例如在氫原子模型的物理場景中，應該把比例設置為小比例，具體的 數值為1e-8 (1*10-8)。所以在創立一個新的實驗前，請分析一下多大 的比例尺比擬適宜，這時一個成功的實驗的第一步。“實驗最小掃描時間這是一個十分重要的參數。它的設定直接 關系到實驗的精度和動畫演示的速度。實驗室將以實驗最小掃描時間 為計算步長，逐步計算實驗的狀態，并對計算出的狀態進行演示。從 理論上講，實驗最小掃描時間越小，實驗的精度可能越高；但同時會 消耗大量的計

35、算時間，演示的速度也會變慢。在研究宏觀世界中，實 驗最小掃描時間可以設定的大一些，而研究微觀世界時，應設定的非 常小。例如在自由落體實驗中設定為 0.0002秒左右；在地球人造衛星 實驗中設定為1秒左右就可以了。而在電場對電子的加速與偏轉的實 驗中應設定為1e-12秒左右。在具體制作過程中，可以試著找一個比 較適宜的數值。比方說，你覺得實驗運行得太快了，你就可以試著減 小這個參數，同時仿真的精度也高了；如果你覺得實驗運行太慢了， 你就可以試著增大這個參數。在“實驗設置對話框中可以修改這個 參數。4.2變量及其應用“仿真物理實驗室一一運動及動力學模塊，支持變量的應用。 軟件中的變量有兩種，分別是

36、系統變量和自定義變量。系統變量是指軟件自帶的變量，例如時間變量t,器件自帶的變量也是系統變量。軟件為幾乎所有的物理對象都提供變量支持。變量 可以表示運動對象的位移、速度、外力，也可以表示為勻強電場的電 場強度、電場方向等。對象變量的命名是以“對象名稱 物理參數來 命名的。如下列圖所示，對象的名稱為：“電場1，那么它的電場強度變 量為“電場1.e，電場方向的變量為“電場l.deg。自定義變量是用戶自己定義的變量，自定義變量在“變量編輯器對話框中進行添加。從主菜單中點擊程序變量編輯器菜單，可以彈出“變量編輯器對話框分別輸入“變量名稱和“初始值，然后點擊“添加按鈕，就可以 創立自定義變量了。在創立自

37、定義變量時，請使用簡單的字母或字母 組合，不要出現特殊符號，變量不能重名。有了這些變量，我們可以在很多的地方使用到它們。我們可以用“注釋標簽在實驗區中輸出變量的值；可以用“變量曲線對象繪 制出變量的曲線；還可以用變量通過表達式計算得出新的物理量。在 前面的彈簧振子實驗中，我們已經學會如何使用“變量曲線對象繪 制出變量的曲線。下面，我們將通過一個小球在下落過程中機械能守 恒的例子學習變量的其他用法。新建實驗，把坐標系的原點放在實驗區下半局部， 設置坐標比例為10。創立一個運動對象，把它的半徑設置為 2,設置它的初位移X = 0,Y = 30。再創立一個直線軌道對象，把它放置在實驗區的下方，如下列

38、圖所示恤運性|外觀屬性|變量列表|耦肋信庖|硬 有效(enable)|7 可見(Hsibltt)為了把這個直線軌道放平，我們要把直線軌道兩個端點的Y坐標設置為一樣的直線軌道值。在這個實驗中，我們需要考慮重力作用，在“實驗設置對話框中， 我們選中“考慮重力作用這個選項。這時我們運行實驗，小球在 做反復的彈跳運動。接下來，我們通過變量計算出小球的重力勢能Ep=mgh，小球的動能Ek=0.5*mv2，和小球的總機械能 E=Ep+Ek。點擊主菜單中程 序變量編輯器，在“變量編輯器中，分別創立三個變量 Ep、Ek、E,初始值可以都設置為0。點擊主菜單中程序程序編輯器，在“程序編輯器對話框中，我們輸入計算

39、的表達式，如下列圖所示。最后，我們使用注釋標簽，把計算得到的結果在實驗區中顯示出來。 從器件箱中，創立一個“動態注釋，在彈出的“注釋設置對話 框中，我們輸入以下內容“小球的動能=Ek ，注意要把變量放 在中。如下列圖所示。點擊“選擇字體按鈕可以為注釋更改字體 或字號。用同樣的方法，我們再創立出顯示小球勢能數據和小球總機械能的“動態注釋。再次運行實驗，我們能看到在實驗區中，動態顯示的物理實驗數據。如下列圖所示小球的動能=0小球的勢能= 294小球的機械能= 2944.3度量功能的應用“仿真物理實驗室一一運動及動力學模塊為用戶提供了度量功 能，用戶可以度量運動對象、輔助點兩兩之間的距離和三點形成的

40、角 度，并且度量的值可以作為變量。距離的度量。可以度量兩個運動對象間的距離，兩個輔助點間的距離或運動對象與輔助點之間的距離。點擊主菜單中的度量距離菜單項，然后依次用鼠標在實驗區中點擊需要度量距離的兩個對象。請經常關注在實驗區下方狀態欄中的提示信息，它能給您的操作帶來幫助。這時，軟件會彈出“度量距離設置對話框。我們可以為 這個度量設置一個變量，然后點擊確定按鈕。接下來我們就可以像使 用自定義變量一樣使用這個度量值了。角度的度量，角度的度量與距離的度量類似，唯一不同的是，需 要通過三個對象來確定一個角。例如要度量/ ABC，在點擊度量角度 的菜單后，依次在實驗區中點擊對象 A、B、C。需要注意的事

41、，度量 的值是以角度為單位的。4.4曲線對象的應用“仿真物理實驗室為用戶提供了多種數據輸出方式。使用“變 量曲線對象，可以十分方便的繪制出各種實驗數據的曲線，繪制與 分析數據曲線是學習和研究物理的重要方法之一。下面我們以彈簧振 子為例一起學習“變量曲線對象的使用。我們制作一個彈簧振子的物理模型。然后通過“變量曲線對象, 繪制出振子在振動時的位移/時間曲線、速度/時間曲線、加速度/時間 曲線。最后我們把這個彈簧振子模型放在阻尼介質對象中，并再次觀 察它的運動狀態和曲線。首先新建一個實驗工程，創立一個運動對象，把它放置在坐標原點,并設置它具有豎直方向的初速度 Vy=10米/秒。接下來，我們需要創立

42、一個懸掛彈簧，讓它一端連接運動對象，另 一端固定在坐標0,20的位置上。從器件箱中，點擊“懸掛彈簧 按鈕，然后根據狀態欄中的提示，先點擊已經創立在實驗區的運動 對象，再點擊實驗區中坐標為0,20的空白位置。這時會彈出“懸 掛彈簧設置對話框。我們按下列圖所示設置彈簧的參數，設置彈簧 的倔強系數為5,彈簧原長為20,作用類型為“雙方向作用。在這個實驗中，我們不需要考慮重力作用，點擊工具欄上的運行按 鈕就可以運行實驗了，記得通過調節“實驗設置對話框中的“實 驗最小掃描時間可以調整實驗運行的快慢。接下來，我們創立出一個“變量曲線對象。從器件箱中，點擊“變 量曲線按鈕，然后在實驗區中點擊鼠標，這時會彈出

43、“變量曲線 設置對話框。對話框的左邊是用于繪制曲線的坐標紙，用鼠標可以拖動坐標紙中 的坐標，改變坐標原點的位置。在對話框的右上方是設置曲線坐標 比例的編輯框，分別可以設置橫坐標比例和縱坐標比例。 恰當的比 例設置，能讓曲線繪制得比擬美觀。在坐標比例設置編輯框的下面 是曲線關聯變量的設置。在一個“變量曲線對象中，可以同時繪 制五條曲線。用鼠標點擊曲線的矩形色塊可以為曲線設置顏色。 在 這個彈簧振子的實驗中，我們繪制三條曲線，分別是振子的位移y隨時間變化的曲線，振子的速度 vy隨時間變化的曲線，和振子的 加速度ay隨時間變化的曲線。我們讓這三條曲線的橫坐標 X都關 聯時間變量t，三條曲線的縱坐標丫

44、分別關聯運動對象的位移變量 y，速度變量vy和加速度變量ay。最后點擊“變量曲線設置對 話框確實定按鈕。再次運行實驗，我們看到在彈簧振子做上下振動的同時， 在旁邊的 變量曲線對象上，也同時繪制出了各種物理參數的變化曲線。“仿真物理實驗室能很好的支持我們的探究活動。我們在這個彈 簧振子的實驗上，再做一個嘗試，我們把這個彈簧振子放在水或者 油性介質中，研究它振動的衰減情況。在軟件中，我們可以使用“阻 尼介質對象來模擬存在阻尼的環境。從“器件箱中創立出阻尼 介質，讓它的范圍完全包裹住彈簧振子，在彈出的“阻尼介質設置對話框中，我們選擇第一種計算阻尼的方法，并設置參數N=0.1 ,K=2。再次運行實驗，

45、我們就能觀察到振子的振動曲線發生了如下 圖所示的變化，振動在阻尼介質中發生了衰減。五.軟件在教學中的應用1. 在牛頓三定律教學中的應用2. 在萬有引力教學中的應用3. 在機械能教學中的應用4. 在動量教學中的應用5. 在機械振動教學中的應用6. 在電場與磁場教學中的應用電學模塊電學模塊簡介“仿真物理實驗室一一電學模塊為學生和老師提供了電源、電阻、儀表、 開關等數十種具體的電子元器件。用戶可以利用這些電子元器件，搭建自己的實 驗電路。例如連接串聯與并聯電路、用伏安法測量電阻、測量路端電壓、用惠斯 通電橋精確測量電阻、用電磁繼電器實現對電路的簡單控制等。 實驗室還提供燈 泡、電鈴等元件，使用戶設計

46、的電路生動活潑。在真實的電學實驗中，存在平安性風險，并可能造成電學器件的損毀。現 在我們可以利用“仿真物理實驗室一一電學模塊，進行電學方面的探究與實驗， 既經濟又平安。軟件界面“仿真物理實驗室電學模塊的主界面如下列圖所示軟件界面的中間是實驗區，是用戶搭建各種電路和觀察實驗過程的地方。實驗區的上面是工具欄，工具欄中有常用命令的快捷按鈕。實驗區的右邊是器件 箱，用鼠標點擊器件箱中的器件，再在實驗區中點擊鼠標，就能創立器件。實驗 區的下方是狀態欄。三.菜單與工具欄快捷按鈕軟件的主菜單及功能如下：文件新建:創立一個新的電學實驗工程。翻開:翻開一個已經存在的電學實驗工程保存:保存當前的電學實驗到磁盤文件

47、。另存為:保存當前的電學實驗到新文件名保存為圖片 ： 把當前實驗區的內容，以圖片文件保存下來。打印設置 ： 設置打印的相關信息。打印：打印實現區中的圖像。退出： 退出軟件。編輯 顯示電流方向 ： 顯示/隱藏導線中的電流方向。實物圖 /電學符號 ： 切換實驗區中電學器件的顯示方式為實物圖或符號圖。復制： 復制當前實驗區中，選中的對象，到剪貼板。剪切： 復制當前實驗區中選中的對象到剪貼板，并在實驗區中 刪除此對象。粘貼： 把之前復制到剪貼板中的對象，粘貼到實驗區中。刪除： 刪除當前選中的對象。屬性： 彈出當前選中對象的“屬性對話框。修復： 在實驗區中， 用鼠標選擇被損壞的器件， 再點擊“修復 菜單

48、可以修復損壞的器件。元件 ： 點擊其中的子菜單項，再在實驗區中點擊鼠標，可以在 實驗區中創立與菜單對應的對象。此菜單項的功能類似于器件箱程序 變量編輯器:彈出“變量編輯器對話框，用戶可以在此對話框中, 自定義變量。程序編輯器:彈出“程序編輯器對話框，用戶可以在此對話框中,編寫簡單格式的腳本語言以實現較為復雜的實驗控制。視圖工具欄：顯示/隱藏“工具欄。器件箱:顯示/隱藏“器件箱。狀態欄:顯示/隱藏“狀態欄。幫助幫助：翻開軟件的幫助。關于仿真物理實驗室顯示“仿真物理實驗室的相關信息。軟件的工具欄及快捷按鈕功能如下:& W B新建翻開保存打EIJ門 c 庵 蔭X 國櫛銷重做復制粘貼刪除展性O

49、肌2 A翻轉修復符號電涼工具欄上的快捷按鈕，對應同名的菜單項功能。一些具有特殊功能的快捷 按鈕的詳細說明如下：E半：選中實驗區中的器件，點擊此按鈕，可以實現器件的旋轉。只有部分器件支持旋轉功能。口 :選中實驗區中被損壞的器件，點擊此按鈕，可以修復器件。例如:燈泡和保險絲在電流過大時會被燒毀。團：點擊此按鈕，切換實驗區中電學器件的顯示方式為實物圖或符號圖顯示/隱藏導線中的電流方向導錢顫色首先選中實驗區中的導線，然后點擊矩形色塊，軟件會彈出“顏 色對話框，我們可以為選中的導線更換顏色。導錢樣式：實驗區中的導線，可以顯示為折線，也可以顯示為弧線。點擊此按鈕，切換選中導線的顯示方式創立注釋。點擊此按鈕

50、，再在實驗區中點擊鼠標，可以在鼠標位置 創立注釋 創立曲線對象。點擊此按鈕，再在實驗區中點擊鼠標，可以在鼠標位置創立曲線對象3:創立圖片對象。點擊此按鈕，再在實驗區中點擊鼠標，這時會彈出“翻開圖片對話框，選擇一個圖片文件，然后點擊確定按鈕，可以在實驗區中鼠標位置創立位圖對象。目前支持bmp和jpg位圖格式。創立黑盒子。在一些課堂場景中，老師先用黑盒子把局部電路遮擋起來，讓學生通過對電路外部接口的測量，分析出被遮擋局部的電 路。在這個時候就需要用到黑盒子。點擊此按鈕，然后在實驗區中 框選一個區域，軟件會彈出“黑盒子設置對話框，我們需要給黑 盒子設置一個密碼，然后點擊確定按鈕。，:點擊此按鈕，然后

51、在實驗區中需要被放大的地方點擊鼠標，軟件會顯示實驗區的局部放大圖像。 凰點擊此按鈕，翻開軟件的幫助四.操作指南1.第一個簡單的電學實驗我們來做一個簡單的電學實驗，通過這個實驗，我們將學習“仿真物理實驗室一一電學模塊的根本使用方法。在這個實驗中，我們將使用 一個數字式伏特表測量“ 5號AA 電池兩端的電壓。點擊工具欄上的“新建快捷按鈕，新建一個實驗工程。用鼠標點擊器件箱中“電源類中的“ 5號AA 電池按鈕，然后在 實驗區需要放置該電池的位置點擊鼠標，這樣就可以把一節“ 5號 AA 電池創立在實驗區中了兌0.00用同樣的方法，我們創立一個數字式的伏特表，到實驗區中。數字 式的伏特表在器件箱的儀表類

52、中。在創立過程中，軟件會彈出一個 選擇對話框，在對話框中我們可以選擇伏特表接線柱的擺放位置， 正極在左邊或者右邊。在這個實驗中，我們選擇正極在右邊的那只 數字式伏特表。接下來，我們要使用導線，把電池與伏特表連接起來，這樣伏特表 才能測量出電池的電壓。連接導線的端點請注意器件邊緣的黃色小圓圈，這是器件的接線柱，連接導線的端點。用鼠標點擊需要連接導線的端點，然后松開鼠標，在另一個器 件的端點上再點擊鼠標，那么這兩個端點之間就用導線連接起來了。 在連接導線的過程中，如果在實驗區空白處點擊鼠標，導線會在該 點發生折彎，折彎后可以繼續連接另一個端點。如上圖所示，我們用導線把伏特表與電池連接起來，伏特表就測量 出了電池的電壓值1.5伏特。選中折彎的導線，點擊工具欄上的導線 樣式按鈕導錢祥式，可以使折彎的導線以曲線方式顯示2.電學模塊中的器件電學模塊中的電子器件分為：電源、電阻、儀表、開關、輸出、電 磁感應、其他，一共七大類。下面將分別介紹這些電子器件，并接合例子 學習他們的使用方法。2.1電源類在電源類中，電學模塊提供了，干電池、干電池組、蓄電池、蓄電池組、9V電池、和一個可以任意設置電壓與內阻的電源。這些器件在電 路中都是作為電壓源的。2.2電阻類在電阻類中，電學模塊提