基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ的物理习题教学

收稿日期：2023-08-07

基金项目：重庆市教育科学规划课题“高中物理跨学科融合教学方法研究”（K22YG104413）。

作者简介：彭鸿宇（2000-），男，中学二级教师，主要从事高中物理教学工作。

摘   要：在传统高中物理教学中，多过程碰撞的物理过程很难在板书上展现出来，成为教学的一大难点。基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ仿真功能，以２０２３年高考全国乙卷２５题和湖北卷１５题为例，将多过程碰撞的物理过程可视化，直观展现物理模型，帮助学生理解题目的复杂情境，有效缩短学习时间，提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

关键词：Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ；可视化；高考物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0082-5

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》引导学生自主学习，提倡教学方式多样化。高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力［１］。Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ是一款强大好用的交互物理仿真软件，可以将抽象的概念可视化，是教师研究各类物理模型的好帮手。该软件支持快速绘制物理对象，拥有物理接触模拟等多种功能，并能以图形的方式演示各种物理情境。通过简单设置，可以轻松实现中学物理中大多数物理模型的演示，值得广大物理教师学习和推广。

鉴于以上问题，以２０２３年高考全国乙卷２５题和湖北卷１５题为例，基于Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ软件对物理试题中的场景进行可视化，以帮助学生理解复杂的物理情境，降低教师建模和讲解的难度。同时，有利于学生认识复杂的运动过程，构建物理模型，养成严谨的思维习惯，培养科学思维和科学探究能力［２］，总结物体的运动规律。

１    运动学例题分析及可视化物理模型构建

１．１    ２０２３年全国乙卷２５题

例１ 如图１，一竖直固定的长直圆管内有一质量为Ｍ的静止薄圆盘，圆盘与管的上端口距离为ｌ，圆管长度为２０ｌ。一质量ｍ＝■Ｍ的小球从管的上端口由静止下落，并撞在圆盘中心，圆盘向下滑动，所受滑动摩擦力与其所受重力大小相等。小球在管内运动时与管壁不接触，圆盘始终水平，小球与圆盘发生的碰撞均为弹性碰撞且碰撞时间极短。不计空气阻力，重力加速度大小为ｇ。求

（１）第一次碰撞后瞬间小球和圆盘的速度大小；

（２）在第一次碰撞到第二次碰撞之间，小球与圆盘间的最远距离；

（３）圆盘在管内运动过程中，小球与圆盘碰撞的次数。

１．２    例题分析

本题第１、第２问相对比较简单，学生能快速解答，难点在第３问。第３问有较强的综合性，很好地体现了对科学思维和学科素养的考查。很多学生无法形成小球和圆盘的“多次碰撞空间思维”，无法理解该题目中使用ｖ－ｔ图解题的巧妙。运用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ建立相应的可视化物理模型，能帮助学生认识小球和圆盘运动的复杂过程，辅助学生理解该例题。可视化演示过程直观、清晰，学生看完演示过程后，可有效缩短学习时间，提高学习质量和学习效率。

１．３    构建可视化物理模型

（１）如图２所示，打开软件，依次点击［Ｖｉｅｗ］ → ［Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ］ → ［Ｒｕｌｅｓ］→［Ｇｒｉｄ Ｌｉｎｅｓ］→［ＸＹ Ａｘｅｓ］，在操作界面显示坐标轴、标尺和网格线。

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图２  操作界面设置图

（2）重力加速度的设置如图３所示，依次点击 ［Ｗｏｒｌｄ］→［Ｇｒａｖｉｔｙ］，将重力加速度修正为１０ ｍ/ｓ２，与题目预设的场景一致。

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图３   重力加速度设置图

（３）在左侧工具栏点击插入［Ｃｉｒｃｌｅ］和［Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ］并调整至合适大小，作为题目中相互碰撞的小球与圆盘。选择物体并单击右键，点击 ［Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ］，根据题意改变选中物体的质量、弹性系数、摩擦因数、初速度、初位置（应考虑物体所占空间）等物理量，如图４所示。另外，点击 ［Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ］ 可改变物体名称、外观等变量。为更好地还原题目场景，可插入两个条形边界并锚定，作为题目中的长直圆管。按照题目要求调整各物体至合适位置。

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图４  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ参数设置图

（４）为简化操作，题目中设定圆盘与圆管间的摩擦力与重力相等，可以点击左侧工具栏 ［Ｆｏｒｃｅ］，在圆盘上添加一个与重力等大反向的外力作为摩擦力，如图５所示。

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图５   摩擦力参数设置图

（５）软件操作面板如图６所示，题目初始情境雏形已经形成。

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图６  软件操作面板图

（６）例题的难点在于第３问“圆盘在管内运动过程中，小球与圆盘碰撞的次数”。很多学生不能想象小球与圆盘的运动情况，无法总结小球和圆盘的运动特点。为了帮助学生理解，可以引入停止条件：当圆盘离开圆管时，程序暂停。依次点击 ［Ｗｏｒｌｄ］→［Ｐａｕｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ］→［Ｎｅｗ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ］，填入位置函数“（Ｂｏｄｙ［１］．ｐ．ｙ）＜＝－０．２”（因不同操作者设计的圆盘厚度不同，填入的函数略有差异），如图７所示。加入本条件后，当圆盘脱离圆管时，程序即停止，可更加精准地研究两者在圆管内的运动情况。

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图７  位置函数设计图

（７）为形象直观地观察两者的运动情况，可插入ｖ－ｔ图辅助研究。选择任一个物体后，依次点击［Ｍｅａｓｕｒｅ］→［Ｖｅｌｏｃｉｔｙ］→［Ｙ Ｇｒａｐｈ］，右键单击弹出的窗口，点击 ［ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ］，可使用速度函数“－Ｂｏｄｙ［２］．ｖ．ｙ”定义“ｙ２”，在同一ｖ－ｔ图中展示两物体的速度变化，如图８所示。点击 ［Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ］ 可改变ｖ－ｔ图的名称，展示内容等变量。

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图８  速度函数设置图

（８）点击［Ｒｕｎ］运行程序，若ｖ－ｔ图像精度不足，可依次点击［Ｗｏｒｌｄ］→［Ａｃｃｕｒａｃｙ］，酌情调整计算步长 ［Ａｎｉｍａｔｉｏｎ Ｓｉｅｐ］。精度越高，对计算机的资源消耗越大。

（９）运行程序时可以发现：当两者速度相等时，两者有最远距离，如图９所示。

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图９  速度相等演示图

（１０）当圆盘脱离圆管时，程序停止。根据ｖ－ｔ图可得，在圆管中运动时，两者发生４次碰撞，运行结果如图１０所示。在课堂演示过程中，学生可以清晰地观察到小球与圆盘的运动轨迹，极大程度降低了学生的思维难度，完成物理建模，进行后续的运算。

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图１０   运动停止演示图

１．４    可视化物理模型在教学中的优势

两者ｖ－ｔ图中围成的第一个三角形的面积等于两者第一次碰撞前小球位移的大小，即为Ｌ；而之后的相邻碰撞间隔中，小球与圆盘的相对位移的最大值也为一个三角形，即为Ｌ；圆盘每一次碰撞后速度的增量均为小球第一次碰撞前初速度的一半。由图像可知，圆盘相邻碰撞间隔中的位移大小分别是２Ｌ，４Ｌ，６Ｌ，８Ｌ，１０Ｌ……圆管长度为２０Ｌ，但圆盘只需运动１９Ｌ即脱离圆管，故只需要发生４次碰撞。整个演示过程直观、清晰。

Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ是一款强大好用的交互物理仿真软件，它不仅能模拟演示力学、运动学中多次碰撞多过程问题，也能模拟电磁场中更为复杂的多次碰撞多过程问题。

２    电磁场例题分析及可视化物理模型构建

２．１     ２０２３年湖北卷１５题

例２ 如图１１所示，空间存在磁感应强度大小为Ｂ、垂直于ｘＯｙ平面向里的匀强磁场。ｔ＝０时刻，一带正电粒子甲从点Ｐ（２ａ，０）沿ｙ轴正方向射入，第一次到达点Ｏ时与运动到该点的带正电粒子乙发生正碰。碰撞后，粒子甲的速度方向反向、大小变为碰前的３倍，粒子甲运动一个圆周时，粒子乙刚好运动了两个圆周。已知粒子甲的质量为ｍ，两粒子所带电荷量均为ｑ。假设所有碰撞均为弹性正碰，碰撞时间忽略不计，碰撞过程中不发生电荷转移，不考虑重力和两粒子间库仑力的影响。求：

（１）第一次碰撞前粒子甲的速度大小；

（２）粒子乙的质量和第一次碰撞后粒子乙的速度大小；

（３）t=■时刻粒子甲、乙的位置坐标，以及从第一次碰撞到t=■的过程中粒子乙运动的路程。

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图１１  湖北卷１５题图

２．２    例题分析

本题第１、第２问比较简单，学生能快速解答，难点也在第３问。第３问有较强的综合性，能很好地体现科学思维和学科素养。很多学生无法形成甲、乙两个带电粒子在磁场中多次碰撞的运动情境，进而无法理解利用周期关系、速度关系求解该题的巧妙之处。为帮助学生形成多次碰撞运动情境，运用 Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ建立相应的可视化物理模型。因第１、第２问比较简单，可以把第２问的质量关系和速度关系直接输入到程序中，便于可视化模型的呈现。重点处理学生最难理解的第３问，帮助学生认识甲、乙两个带电粒子在磁场中的多次碰撞过程，辅助学生对于该例题的理解。学生看完可视化演示过程后，可有效缩短学习时间、提高学习质量和学习效率。

２．３    构建可视化物理模型

（１）对带电粒子在磁场中运动的仿真，需要去除重力场，添加磁场。如图１２所示，点击 ［Ｗｏｒｌｄ］［Ｆｏｒｃｅ Ｆｉｅｌｄ］ ，按图示选择，引入默认磁场。

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图１２  磁场设置图

（２）根据第１、第２问的计算结果，在软件中构建甲、乙两个粒子，并设置合适的质量、速度、电荷量等参数。

（３）点击运行，两个带电粒子的运动轨迹如图１３所示。

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图１３  粒子运动演示图

（４）如图１４所示，也可显示ｖ－ｔ图，定量分析甲、乙粒子的速度变化情况。

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图１４  粒子ｖ－ｔ图

２．４    可视化物理模型在教学中的优势

在忽略计算精度误差的前提下，可发现甲、乙两个粒子的运动规律：第１次碰撞后两粒子速度大小为ｖ■＝３ｖ０，ｖ■＝３ｖ０，第２次碰撞后则为ｖ■＝ｖ０，ｖ■＝５ｖ０，第３次碰撞后为ｖ■＝３ｖ０，ｖ■＝３ｖ０，第４次碰撞后为ｖ■＝ｖ０，ｖ■＝５ｖ０，依次类推。每一次碰撞结束后，两组速度交替。到此，学生已经建立起两粒子的运动模型，总结出两粒子的运动规律，可视化模型试题的目的已经达到，后续则容易计算出正确结果。

３    结  论

课程标准中倡导多样化的教学方式，提倡通过创设情境让学生积极参与、乐于探究、勤于思考，养成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。立足２０２３年高考真题，从力学（全国乙卷２５题）问题到电磁场问题（湖北卷１５题），重点考查运动学和电磁场中多次碰撞的运动规律，难度较大，学生在短时间内难以理清头绪。通过Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ软件作出研究对象的运动动态轨迹，并根据所求问题进行动态调整，可以化抽象为形象，使复杂问题变得简单、直观、易理解。同时，也可以很好地帮助学生养成严谨的思维习惯，提升其学科核心素养［３］。Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ这款强大好用的交互物理仿真软件，不仅能模拟演示力学、运动学、电磁场中数次碰撞多过程问题，也能模拟出动量、电磁感应、热学中复杂的多次碰撞多过程问题。在高中物理教学中，可尝试将Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ构建的模型融入教学，以培养学生的科学思维、科学探究能力。

教师使用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ软件可快速绘制可视化物理模型，把关注的焦点集中到教学问题上［４］，不建议教师在讲题之初就直接将可视化物理模型展示给学生，而忽略物理分析过程。考查“利用数学处理物理问题”的能力也是高考的重要职能之一，在教学中不能省去必要的数学推导。可视化软件仅能辅助教师构建物理模型，并非讲题的“捷径”，不可过分依赖。教师要在教学过程中注重引导学生弄清概念和规律的形成过程，培养学生的综合分析能力。为达到这一目的，教师可借助可视化的信息技术演示，将物理现象的本质以多种方式全方位地表征出来。生动形象的物理图景可引导学生深入思考物理问题，逐渐形成自主科学探究的意识和能力［５］。

参考文献：

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

［２］邵奇．利用Ｔｒａｃｋｅｒ定量分析弹簧振子ｘ－ｔ图像的实验研究［Ｊ］．物理通报，２０２３（３）：１１４－１１６，１２１．

［３］石超，吴梦雷．基于ＧｅｏＧｅｂｒａ软件的回旋加速器工作原理分析——以２０２１年江苏省高考物理第１５题为例 ［Ｊ］．物理教师，２０２１，４２（１２）：８４－８６．

［４］张怀华.利用Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ简单实现电荷在电磁场中的运动［Ｊ］．计算机教与学·现代教学，２００４（１１）：１８－１９．

［５］王春花，程敏熙，郭湑尉．基于思维培养的高中物理可视化教学策略［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２１，５０（２６）：４８－５０．

（栏目编辑    贾伟尧）