1.
数字化物理简介
数字化物理就是利用现代计算机的数值计算、数字模拟、数字处理、数字动画、数字作图等技术,将物理学的基本原理,复杂的物理过程以动态图形的形式形象的表达出来,并可以实现人机交互。
(1). 我们用已有的CCBP (calculus-and-computer based physics)平台以及Mathematical语言,开发与我校大学物理多媒体教学相配套的数字物理素材库,该素材库包括力学、热力学、光学、电磁学、近代物理基本素材库以及与物理紧密相关的拓展素材库。
(2).在大学物理的教学中,利用我们已有的CCBP
(calculus-and-computer based physics)平台以及Mathematical语言,引导学生将实际中的物理问题建立数学模型,利用微积分知识和计算机动手编程去解决物理问题,形成由学生开发的将不能用解析方法描述的物理学过程以数字化动态模拟的形式表示出来的软件库。
2.
数字化物理的教学方式
(1).
将我们已建立的数字化素材库应用于实际教学中,加强学生对物理概念的理解,拓展学生的思路以及知识范围。
(2).
由学生自愿报名,老师筛选确定学生名单,对筛选出的学生下达学习任务。这些学生除了正常的上课、学习物理课程的知识之外,在业余时间,对其进行数字化教学平台、物理模型的形成、数字化模型的建立等过程的的指导,使其在大学物理的学习期间,能按照老师的要求,完成建立数字化物理模型的任务。
3. 学生建立的数字化模型展示
我们让学生用两种平台(即CCBP和Mathmatica语言)建立数字化模型,由于需要平台的支持,这里只展示截图。
(1)八大行星的运动模拟
(2)地球月球相对于太阳的运动
(3)李萨茹图形的动态模拟
(4)带电离子在电场中的运动
(5)离心运动的模拟
(6)基于MATHEMATICA的干涉、拍频、转动惯量
(7)麦克斯韦速率分布曲线
(8)基于mathematic篮球场的动画演示
八大行星的运动模拟
八大行星的运动轨迹模拟以有前人做过,但是,所画出的模拟轨道是在同一个平面内,实际上各行星的运动轨道平面是有夹角的,学生在CCBP平台下,根据实际的天文现象,按比例模拟了个行星的运动过程,而且模拟了考虑太阳绕地球运动时的地月相对运动轨道模拟。
地球月球相对于太阳的运动
李萨茹图形的动态模拟
两个相互垂直的简谐振动的合成,其振子的振动曲线形成里萨茹图形曲线,在模拟过程中可以任意改变两个振动的频率及它们之间的相位差,形成动态演示。
带电离子在电场中的运动
带电粒子在电场中的运动,通过变化电场强度、初速度、初射角模拟带电粒子在电场中的运动轨道。
离心运动的模拟
两个小球用细绳相连,当处在平面上的小球作圆周运动时,根据小球运动的速度不同导致其转动半径不同,又使得下面的球上下运动。
基于MATHEMATICA的干涉、拍频、转动惯量
干涉:只有两列光波的频率相同,位相差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光,不可能具有相同的频率,更不可能存在固定的相差,因此,不能产生干涉现象。
拍频:在物理上,两列同方向传播、同方向振动的,振幅相等的平面波,如果它们的频率相差很小(相对于自身频率来说,差是小量),那么它们叠加在一起后形成的波有如下特性:
1.
波上的点的振动频率与原来的两个波的频率近似相等;
2.波的振幅不固定,有些点的振幅是原来的两倍,有些点的振幅是零,同时某一点的振幅也会随时间变化。
转动惯量:面积或刚体质量与一轴线位置相关联的量,是面积微元或组成刚体的质量微元到某一指定轴线距离的二次方的乘积之积分。
在这里通过MATHEMATICA,可以直观地得到如图所示:
图一
在mathematic中图一的干涉图样可以以动画的形式显示,形象直观具有很好的教学意义。
图二
在图二中可以改变光源的振幅,改变频率,两光源的初相位,可以同时改变光源的位置,这个在教学中也有很重要的意义。
图三
图三所示的是拍频动画图。在mathematic中可以改变波函数的频率、振幅、相位。
图四
转动惯量在mathematic中也是可以以动画的形式演示,形象,直观。所有图形的主要程序如下:
麦克斯韦速率分布曲线
麦克斯韦速率分布曲线特征:
1.分布曲线两端趋于零。
2.分布曲线上有一极大值。相应的速率——最概然速率vp
vp 的物理意义:在一定温度下,速度大小与vp相近的气体分子的百分数为最大。
通过mathematic可以得到麦克斯韦速率分布曲线图:
基于mathematic篮球场的动画演示
基于mathematic篮球场的动画演示,可以作为篮球场设计者的参考。通过对篮球场动画的演示体现了篮球场的大小以及实用性。同时该课题体现了mathematic的功能强大,培养了mathematic初学者的兴趣,调动了学习的积极性,有利于教学中。
在mathematic中可以以动画的形式演示。主要程序如下: