力学仿真软件Interactive physics入门.doc

力学仿真软件Interactive physics入门 无锡市玉祁高级中学 肖芝清（214183）在高中物理课程标准（1）中指出：“将信息技术与物理课程整合，既有利于学生学习物理知识和技能，又有利于培养学生收集信息、处理信息、传递信息的能力”。而Interactive physics是一款仅有不足30M的功能强大而使用简单的优秀的力学仿真软件，它避开了复杂地数学计算，从物理和数学建模入手，制作相关物理形象，设定系统参数、初始状态和力场，仿真结果有多种输出方式，非常值得广大物理教师学习和推广。（2）该软件主要是英文版还可以找到汉化版，为了不适一般性，本文以英文版的interactive physics 2005为例，介绍其基本操作，以抛砖引玉。从简单的问题开始体验：展示具有初速度的物体在水平面上滑行的过程，软件启动后如图（1）所示，是典型的windows界面，包括左侧的对象栏、上方的菜单栏、工具栏等。操作：首先构造水平地面：点击对象“”到空白区域拉动，就代表地面。如果双击之，就会弹出属性窗口，可以设置如位置、初速度、质量、摩擦系数、电荷量、弹性系数等重要得参量。但是，本处物体1是当作地面使用，必须锚定。使用“”放置在物体上，就像用钉子钉起来一样可以很方便的固定物体。然后放置物体“”在地面上，双击设置初速度、摩擦系数等产生，然后点击运行按钮“”就可以观察到物体运动的过程了，是不是特简单！一、关于软件中的物体如何创建物体？左侧工具条中有基本的几何体，用来创建各种各样的物体，每一个物体都可以定义重要的物理参数，如属性、外观、指定特殊的约束。如图（2）所示，在左侧工具条上点击 “”，在工作区单击并对角地拖曳就可以了。 如何改变物体的属性？物体将依据自身的特点和属性运行，可以通过Properties属性窗口改变物体的属性。要改变小球的属性，只要单击选中它，再打开Windows菜单，选择Properties项打开对话框，可修改如物体材质、质量、位置、初速度、电荷量、摩擦系数、弹性系数等参数；还有一个简单的方法是只要双击就可以打开Properties对话框。如何改变物体的外观？通过Appearance外观窗口改变一个物体的外观，通过调整颜色、填充图案及加入跟踪选项和标注物体，可以使得模型更容易理解，更能被人注意。要改变小球为红色，选择它，打开Windows窗口中的Appearance选项；或者选中后用快捷键“Ctrl+J”打开。如何改变物体的几何条件？ 用坐标栏：单击选择物体，在工作区的左下方会出现（3）如图文本框，输入你想要的位置坐标、半径等就可以了。用几何窗口Geometry：选中物体后，从Windows下拉菜单中选择Geometry项，在要改变的文本框输入新的值。用输入控件：选中物体，打开Define定义菜单的New Control项，然后从子菜单中选择你要设置的几何控制条件，如初始x位置Initial X Position，在工作区会出现如图（4）所示控件，在输入控件中通过滑动条改变或者文本框设置你要改变的几何条件的值。如何旋转物体？选中物体，然后在工具条上单击旋转工具“”,然后在要旋转的中心处拖动鼠标指针到何时的位置即可。如何锚定物体？锚定特指将物体固定在背景上，这样它们在运行仿真时就不会动了，如桌子、天花板等就必须锚定。在工具条上单击锚定工具“”，用其在要锚定的物体内部单击，就可以将物体固定在背景上了。如果要取下锚定，先选中物体上的锚标记，用Delete删除即可。如何控制碰撞？默认情况下，软件中的物体相遇时是要发生碰撞的，碰撞类型由相互作用物体的弹性系数较小的决定。如果不需要碰撞，选中这两个物体，然后打开Object菜单选择：Do Not Collide就可以了。二：关于约束软件中的约束指的是施加在物体上的力，仿真的轻弹簧、轻绳、轻杆及滑轮模型，以及物体与物体之间的连接，在左侧的工具栏中有相应的工具供直接使用。力约束：点击“”可以直接在物体上施加力，通过拖动的方法调整表示力矢量大小和方向，或者双击之在对话框中指定具体的值(有直角坐标和极坐标两种方式可用)。绳约束：点击“”可以创建轻绳，譬如在前面的基础上构造单摆，在小球内单击，然后再其上方的一点单击就好了。在创建好的绳上双击，可以调整其原长和弹性系数。其他类似，“”是轻杆约束，“”是轻弹簧约束。滑轮“”的使用方法比较特殊，滑轮系统指的是两端点间有多点牵引，两端点间绳子总长度不变，但端点和系物点间绳长会变化。图（5）a构造了一个定滑轮系以表现阿德武机，图（5）b构造了一个动滑轮系统，表现物体在轻绳上的滑动。具体做法是：在工具栏上单击“”滑轮工具，在适当地方（物体或背景）单击作为起点，接着创建其他点，双击结束最后一个点。滑轮创建后通过双击可以改变其属性。活结连接和强固连接“”，这两个工具可以将连个物体钉在一起，其中活结连接可以理解为铰链或转轴，利用它们可以构造一些复杂的物理模型。就像使用钉子一样，首先将两个物体重叠，然后在工具栏中选择合适的连接，再在物体上单击就完成了。直狭槽连接“”，可以使物体限制在狭槽内运动，区别是一个可以转动另一种不可以转动，图（6）可以表现水平方向的动量守恒。狭槽被放置在下面的物体或背景上，上面物体上的点将在狭槽内运动。有时为了使模型更真实，有时需要隐藏约束，选中约束然后通过Appearance外观窗口实现。三、关于矢量通过显示矢量的方法图示出速度、加速度和力的特征属性。选中物体后，在Define定义菜单中有Vector矢量子菜单，在其下级菜单中选择要显示的具体矢量类型，运行软件矢量就会显示出来。要取消显示，打开Define定义菜单选择No Vectors即可。如果矢量图示太短，可以通过Define定义菜单选择Vectors Lengths项，通过滑动条调节，或者直接在显示比例里输入数值。矢量的样式，可以通过Define定义窗口选择 Vectors Display进行，可以选择显示矢量的某一分量，是否显示矢量的名称、值、线宽颜色等等。四、关于空间环境软件的空间环境 World ，主要对物体施以力的作用，新建一个文档默认的初始条件是：重力Gravity，地球表面加速度g=9.81m/s2；空气阻力air resistance，无；静电场Electrostatic ，无；其它外加力场Force field，无。通过World窗口下相应的项目就可以改变设置。比较灵活的是力场Force field，通过该命令可以定义作用在每一个对象上的力，如模拟伴随速度变化的空气阻力。在Sample中给出了一些例子，力的类型和公式可供参考，如两个对象间万有引力作用公式的表达方式为：-self.mass * 6.67e-11/sqr(self.p - other.p) * other.mass选择Custom可以自由定制力场。五、物理量的测量在软件中，你几乎可以测量仿真中的任何物理属性，如时间、位置、速度、加速度、动量、动能、弹性势能、引力势能等，选中物体后，通过Measuring测量菜单选择相应的物理量，运行仿真就可在工作区显示测量结果。右图显示的是以20m/s的初速度上抛物体测量结果有三种方式显示：图像、数值、柱形图，显示方式可以通过单击测量窗口左上角的箭头“”而自动切换(没有弹出式菜单)。双击测量窗口可以修改其属性，如修改坐标轴的范围可以显示局部数据；选中测量窗口后通过Windows窗口的Appearance外观选项可以修改其外观格式。测量数据的输出，与一般仿真软件相比，该软件具有灵活的数据输出功能，可以把测量窗口的数据输出成以 tab为分隔符的文本文件，之后就可以用Excel等软件进一步处理，一种方法是用File文件菜单下的Export输出命令，另一种方法是选择Measurin测量窗口并在Edit编辑菜单中选择Copy Data数据，抓取数据被复制到剪贴板中，然后可以把数据粘贴到excel等支持以 tab为分隔符的程序中使用。六、关于仿真一旦工作区中创建了模型，可以马上运行、停止以及重新开始仿真。运行的方法有：工具栏上点击Run；打开World菜单下Run；快捷键Ctrl+R。停止与重新开始仿真的方法类似，停止的快捷键依然是Ctrl+R，重新开始仿真的快捷键是Ctrl+T。另外还可以用播放器控制，仿真后播放器允许倒放、跳过画面和更快地播放仿真。在View视图菜单的Workspace工作区项可实现 tape player control播放器显示和隐藏，播放器显示在工作区的左下角如图9所示，“”可以运行和倒放，“”可以逐帧步进或步退，左右拖动帧指示器“”可快速到任一画面。运行速度的控制仿真运行时，可能会出现运行太快或者太慢，可以打开World设置菜单下Simulation Accuracy精确性设置对话框，主要调节Animation Step动画步长，如图（10）中20/s表示每秒运算20帧，把它改为200/s 再运行仿真就