基于AVM平台的虚拟物理实验的设计与开发

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  摘 要 以中学物理实验“验证动量守恒定律”为例,详细说明基于AVM平台的虚拟实验的开发过程,以促进基于AVM平台虚拟实验室的发展和应用。
  关键词 AVM平台;虚拟实验;中学物理;动量守恒定律
  中图分类号:G633.7 文献标识码:B
  文章编号:1671-489X(2016)18-0013-02
  1 问题的提出
  中学物理实验在物理教学中占有举足轻重的地位。从我国中学物理实验现状来看,实验器材不足、实验的趣味性不强、实验开出率低是大部分中学尤其是农村中学普遍存在的现象。与传统实验教学相比,基于AVM平台的虚拟实验教学能降低实验成本,突破传统教学模式中时间及地点的限制,开发效率高,具有良好的交互性,轻松实现资源共享,有利于学习者的自主学习及合作学习。因此,基于AVM的虚拟中学物理实验室的设计与开发很有意义。本文以中学物理实验“验证动量守恒定律”为例,较为详细地说明基于AVM平台的虚拟实验的开发过程,以促进基于AVM平台虚拟实验室的发展和应用。
  2 基于AVM平台的虚拟物理实验的设计
  在本研究中,主要以中学物理实验“验证动量守恒定律”为例。实验主要仪器包括斜槽轨道、气垫导轨、电脑计数器、气泵、天平等。动量守恒适用条件:
  条件一,系统不受外力或系统所受的外力的合力为零;
  条件二,系统所受外力的合力虽不为零,但比系统内力小得多;
  条件三,系统所受外力的合力虽不为零,但在某个方向上的分力为零,则在该方向上系统的总动量保持不变,也就是分动量守恒。
  该虚拟实验要能使实验者获取数据并准确验证动量守恒定律,在验证过程中能够很好地实现人机交互,以保证实验的趣味性,激发实验者的学习兴趣;还要保证能够在低配置的计算机上运行,以符合大众需求。基本的数据包括:斜面下滑碰撞时,能够得到小球从斜面下滑,然后发生碰撞后下落到地面的高度、时间、滑动的距离、碰撞前的初速度大小方向、碰撞后速度的大小方向等;水平面碰撞时,能够自定义两小球质量大小、初速度大小方向等,能够得到两小球的末速度大小方向。
  3 基于AVM平台的虚拟中学物理实验的框架设计
  该虚拟物理实验主要分为四大模块:推理过程、实验验证、原理运用、习题巩固。
  推理过程主要是演示动量守恒定律的原理、公式的推理过程,让实验者在实验之前了解动量守恒定律公式的由来。
  实验验证主要是验证动量守恒定律的正确性,包括两大实验以及各种实验结果的对比:小球从光滑斜面下滑碰撞实验,让实验者自定义控制光滑斜面中将要发生碰撞的两小球的质量大小,并获得它们下落到地上的末速度大小,碰后运动的水平距离、下落的高度、下落的时间等,从这些条件来验证动量守恒定律公式的正确性;两小球在光滑水平面上碰撞实验,让实验者控制光滑水平面中将要发生碰撞的两小球质量的大小、初速度的大小和方向(负值为反方向),并获得它们碰撞后的速度大小和方向等,从这些条件来验证动量守恒定律公式的正确性;结果对比展示,让实验者观察刚才实验中,不同条件下两小球发生碰撞后的不同结果,从而更加形象、准确地掌握动量守恒定律。
  原理运用主要是以动量守恒定律来解释生活中的各种现象,了解动量守恒定律在现实生活中的应用,加深对动量守恒定律的理解,激发学生的学习兴趣。
  习题巩固主要是进一步加深对动量守恒定律的掌握,让实验者以做题的形式掌握动量守恒定律的适用范围、相关题型等。
  4 虚拟实验的关键代码分析
  参考文献
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