利用Algodoo软件探究弹簧振子理想化模型构建

利用Algodoo软件探究弹簧振子理想化模型构建

袁媛庞礼军

贵州师范大学物理与电子科学学院 贵州贵阳 550025

摘要：在实际教学中，构建简谐运动的理想化物理模型是教学难点。利用Algodoo虚拟仿真软件，创建多个弹簧振子模型，运用控制变量法设置对比实验，通过数据图像化展示，定量分析帮助学生理解物理模型的建构过程，优化了教学资源，提升了学生学习能力，培养了学生的物理学科核心素养。

关键词：Algodoo；虚拟仿真；弹簧振子；理想化模型；构建

在普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）中，对于选择性必修一第二章第1节简谐运动设有明确的学业要求，要求学生能够根据现实生活中振动或摆动的特点，构建简谐运动的物理模型。弹簧振子作为中学物理中的重要知识点，被视为机械振动的理想化模型。在实际理想化模型的构建过程中，教师通常只能引导学生从定性的角度理解理想化模型，而无法提供定量方面的深入理解。

Algodoo是由Algoryx Simulation AB公司推出的一款模拟仿真软件。它具备强大的图表图像功能和精准的数据处理，支持矢量可视化、循迹追踪、推进器、激光、几何切割等多种功能。不仅可以模拟无阻力和无浮力的环境，还能够模拟不同的重力加速度数值，可提供全面而多样的仿真体验。

利用Algodoo虚拟仿真软件创建多个弹簧振子模型，通过“运动、受力和能量”3个角度设置对比实验，进行数据图像化展示，旨在帮助学生深入理解物理模型的构建过程，从而优化教学资源，提升学生认知能力。

1对照组设置

设置不变量：设置一个弹簧后点击右键，弹簧选项中设置弹簧参数设为10N/m，构建一个正方体物块后点击右键，在材质选项中设置质量为1kg，原长位置物体有向右为2m/s的初速度，如图1所示。

图1不变量设置

对照组设置：弹簧阻尼设置为0，设置无空气阻力，动摩擦因数为0。点击播放，并采集图像，横坐标为运动时间，纵坐标为水平位移，如图2（a）所示，得出该曲线为正弦图像；采集弹簧总能量-时间图像, 如图2（b）所示,同理可以采集滑块动能时间图像，对比可得出弹簧总能量即弹性势能全部转化为滑块的动能。

(a)                        (b)                      

图2理想条件下不同条件模拟情况

2受力角度

打开空气阻力，地面与滑块动摩擦因数为0.01。点击播放，并采集与第一组一致的图像，如图3所示。发现无法得到正弦图像且振幅越来越小。

图3 实际情况受力分析模拟

为了得到理想的正弦图像，从受力角度需要忽略一切的阻力。回到现实生活中的实验，无法达到完全无阻力，但可以增加气垫导轨等方式来减小摩擦，甚至可以将弹簧竖着挂起来使物块在竖直方向上进行振动。后续的延伸实验可以交给学生在软件上完成，锻炼学生的思维能力与动手操作能力。

3能量角度

设置变量：设置弹簧阻尼为0.03。点击播放，同样收集弹簧总能量-时间图像，如图4所示，可以看出弹簧的总能量降低为非正弦图像，同样方式采集滑块动能时间图像，也为非正弦图像，说明弹簧的弹性势能转化为了物块的动能和弹簧损耗的能量，使得模型能量转化变得复杂。

图4 实际情况下能量分析模拟

为了得到理想的正弦图像，从能量角度需要忽略弹簧的阻尼即将弹簧看成轻质弹簧。

4结语

利用Algodoo软件，定量来帮助学生理解弹簧振子物理模型构建的理想化过程，鼓励学生多动手，多思考，在物理教学中，利用Algodoo软件辅助教学，物理过程更清晰，理解更具象。当然实际动手实验仍旧不能缺少，在教学中，有更多的师生使用Algodoo软件，可给教学带来更多的便利，有助于学生对抽象过程的理解，构建物理规律过程，提升认知能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国.普通高中物理课程标准（2017年版2022年修订）[M].北京:人民教育出版社2020．

[2]高永品.利用Algodoo软件探究单摆的振动[J].湖南中学物理,2023,38(01):93-95.