物理學畢業(yè)論文-多媒體在平拋運動教學中的應用

1、 學 院本科畢業(yè)論文(設計) 題題 目目 多媒體在平拋運動教學中的應用 院院 系系 物理與電子工程學院 專專 業(yè)業(yè) 物理學 姓姓 名名 學學 號號 學習年限學習年限 指導教師指導教師 2013 年 05 月 27 日 多媒體在平拋運動教學中的應用 摘 要: 利用科學計算軟件 matlab，通過數(shù)值計算將平拋運動中的瞬時運動狀態(tài)及完整的運動軌跡用動畫及圖形的形式反映出來，生動、形象、精確的將物理過程展示給學生，使學生在傳統(tǒng)教學模式中難以觀察的瞬時狀態(tài)及運動全過程均可以詳細觀察了解，加深了學生對平拋運動的理解，為計算機輔助物理教學提出了一個較好的方法。關鍵詞:數(shù)值計算；平拋運動；動畫 Multim

2、edia Application in the Flat Parabolic Teaching ABSTRACT: Use science calculated software matlab，by numerical calculated will flat throw movement in the instantaneous movement State and the full movement track with animation and the graphics form reflect out，vivid，and image，and accurate will physica

3、l process show to students，students in traditional teaching mode in the difficult to observation of instantaneous state and the movement all process are can more observation of know，deepen students to flat throw movement understand，for computer secondary physical teaching made a better method.KEYWOR

4、DS：Numerical Calculation；even throwing motion；animation 目 錄引引 言言.11 平拋運動教學中傳統(tǒng)方法的局限及解決辦法平拋運動教學中傳統(tǒng)方法的局限及解決辦法.21.1 傳統(tǒng)教學方法的局限.21.2 將 matlab 引入物理教學.22 matlab 在平拋運動中的具體應用在平拋運動中的具體應用.32.1 平拋運動原理.32.2 matlab 解決平拋運動的相關問題.43 課件制作課件制作.15總總 結結.16參考文獻參考文獻.16附錄附錄.17 1引 言物理教學需要大量演示實驗的支撐，物理學科是在實驗基礎上發(fā)展起來的。過去,我們常在演示實

5、驗后直接進行概括。演示實驗雖然直觀、生動，但是也存在許多缺點，如由于演示實驗往往難于控制，且現(xiàn)象顯示時間短暫，這往往使得學生不能清楚地看到每一時刻的運動狀態(tài)，容易造成許多學生的觀察困難,難以形成鮮明具體的表象。由于物理學中的一些概念難懂,其中的一些符號計算、數(shù)學推導也極為繁瑣,再加上物理教師一直沿襲傳統(tǒng)的筆演口授、解析推演的教學方式,都令許多學習理論物理的學生望而卻步。在物理教學中,教師常常面臨著把大量公式反映的物理圖景以可視化方式展現(xiàn)出來的艱難任務。將多媒體軟件引入物理教學,有助于解決這個問題。 21 平拋運動教學中傳統(tǒng)方法的局限平拋運動教學中傳統(tǒng)方法的局限及解決辦法及解決辦法1.1 傳統(tǒng)教

6、學方法的局限傳統(tǒng)教學方法的局限物理教學手段有很多種。最原始的是用粉筆在黑板上口授筆演、解析推演。這種方法雖然簡便，不受教學設備的限制，但是卻無法將物理過程給學生形象具體地展示出來。在這種情況下，演示實驗教學便顯得尤為重要。演示實驗雖然直觀、生動，但是也存在許多缺點，如由于演示實驗往往難于控制，且有些物理現(xiàn)象顯示時間短暫，這往往使得學生不能清楚地看到每一時刻的運動狀態(tài)，容易造成許多學生的觀察困難,難以形成鮮明具體的表象。另外，演示實驗還存在實驗儀器的不精確性和人為操作上的誤差等問題。于是在以上兩種教學方法的基礎上，有人將 ppt、flash 引入物理教學中。這在很大程度上解決了如何形象具體地將物

7、理過程給學生展示這一問題。但這種教學方法又存在很難將物理過程科學精確地展示出來等新的問題。1.2 將將 matlab 引入物理教學引入物理教學針對以上物理教學手段中存在的問題，計算機軟件 matlab 剛好能解決。matlab可以進行數(shù)值計算以及編程作圖，ppt 和 flash 雖然也能作圖做動畫，但是卻不能精確地將復雜的物理過程用圖表示出來，做出的圖不可能完全準確的與物理規(guī)律相吻合，而 matlab 是編程作圖軟件，借助它能有效地將物理運動規(guī)律轉(zhuǎn)化成程序語言，將物理情景模擬出來，科學精確地展示給學生。另外利用 matlab 可以對物理運動過程中的某一時刻的位置進行精確測量，大大提高了教學效率

8、，便于學生接受。以下我們就通過平拋運動探討如何利用 matlab 將物理過程展示出來的。. 32 matlab 在平拋運動中的具體應用在平拋運動中的具體應用2.1 平拋運動原理平拋運動原理1 定義：將物體以一定速度水平拋出，不考慮空氣阻力，物體只在重力作用下，所做的運動叫做平拋運動。2 特點：水平方向不受外力，做勻速運動，速度為。0v 豎直方向只受重力，沒有初速度，重力加速度為，做自由落體運動。g3 運動公式 。 (2.1)0212xv tygt學生學習平拋運動時在傳統(tǒng)教學模式中難以觀察到運動的每一個瞬時狀態(tài)。matlab 是科學計算軟件，借助它能有效地將物理運動規(guī)律轉(zhuǎn)化成程序語言，將物理情景

9、逼真的模擬出來，科學精確地展示給學生。接下來我們就具體說明 matlab 在平拋運動中的應用。以坐標(5,50)為小球出發(fā)點，小球以初速度作平拋運動，以方向為軸正方0v0vx向，豎直向上為軸正方向，從拋出時開始計時， 時刻小球的坐標位置由下式給出:yt 。 （2.2）0251502xv tygt假定時，動畫程序如下：015/vm sclearvx=15; %設置水平速度figure; axis(0 55 0 50);hold on; %保持當前圖形及軸系所有的特性grid onxlabel (fontsize14rmx/m,Color,k)ylabel (fontsize14rmy/m,Col

10、or,k) 4set(gca,ygrid,on,GridLineStyle,-)set(gca,xgrid,on,GridLineStyle,-)fill(0,55,55,0,5,5,0,0,g);fill(0,5.5,5.5,0,48.9,48.9,45,45,y);head2=line(5,0,color,b,linestyle,.,erasemode,none,markersize,30);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式for n=1:16t=0.20*(n-1); %時間設置x2=vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;set(head2,xdata,x2+5,ydata,

11、y2); %設置球的運動drawnow;pause(0.1); %暫停時間end以上可以看出利用 matlab 可以將物理運動規(guī)律轉(zhuǎn)換成編程語言，將平拋運動的整個過程模擬出來。2.2 matlab 解決平拋運動的相關問題解決平拋運動的相關問題平拋運動由水平勻速直線運動與自由落體運動合成。在學習的過程中同學們會有這樣的疑惑，水平方向的勻速直線運動是否會影響豎直方向的自由落體運動(即小球以不同水平速度拋出它的豎直運動是否會發(fā)生變化)以及相同時間間隔內(nèi)平拋運動的水平位移是否相同？2.2.1 設計實驗解決第一個問題設計實驗解決第一個問題先來看第一個問題，為了解答水平方向的勻速直線運動是否會影響豎直方向

12、的自由落體運動這個問題，下面設計一個實驗。在一平臺上同一點有甲、乙兩個小球。甲球以不同的水平速度拋出作平拋運動，0v乙球作自由落體運動。如圖 2.2：圖中甲球用”乙球用“ ”表示，兩球位于同一點(5,50)。圖 2.1 平拋運動截圖 5以坐標(5,50)為兩球出發(fā)點，甲球以不同初速度拋出作平拋運動，乙球做自由0v落體運動。以方向為軸正方向，豎直向上為軸正方向，從拋出時開始計時，0vxy時刻甲球的位置為t ， (2.3)102151502xv tygt 乙球的位置為 。 (2.4)22251502xygt 接下里我們就用 matlab 對以上實驗進行模擬。當水平初速度時編程如下：015/vm s

13、clearvx=15; %設置水平速度figure; axis(0 55 0 50);%繪制二維圖形hold on; %保持當前圖形及軸系所有的特性grid onxlabel (fontsize14rmx/m,Color,k)圖 2.2 兩球初始位置 6ylabel (fontsize14rmy/m,Color,k)set(gca,ygrid,on,GridLineStyle,-)set(gca,xgrid,on,GridLineStyle,-)fill(0,55,55,0,5,5,0,0,g);fill(0,5.5,5.5,0,49.96,49.96,45,45,y); head1=line

14、(5,50,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式head2=line(5,50,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式for n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);y1=50-0.5*9.8*t.2;x2=vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;set(head1,xdata,0+5,ydata,y1);%設置球的運動set(head2,xdata,x2+5,ydata,y2);%

15、設置球的運動drawnow;pause(0.1); %暫停時間endfor n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);x1=5y1=50-0.5*9.8*t.2;x2=5+vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;plot(x1,y1,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20)plot(x2,y2,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20)drawnow;pause(0.1); %暫停時間end 實驗運行圖像如下： 7由圖 2.3 和圖 2.4 可以看出當甲球的水平初速度

16、時，任一時刻兩球都015/vm s位于同一高度。接下來，我們看一下當甲球的水平初速度發(fā)生改變時，兩球在任一時刻是否還處于同一高度。以為例進行說明，編程如下： 05/vm sclearvx=5; %設置水平速度figure; axis(0 55 0 50);%繪制二維圖形hold on; %保持當前圖形及軸系所有的特性grid onxlabel (fontsize14rmx/m,Color,k)ylabel (fontsize14rmy/m,Color,k)set(gca,ygrid,on,GridLineStyle,-)set(gca,xgrid,on,GridLineStyle,-)fill

17、(0,55,55,0,5,5,0,0,g);fill(0,5.5,5.5,0,49.96,49.96,45,45,y);head1=line(5,50,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式head2=line(5,50,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式for n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);y1=50-0.5*9.8*t.2;圖 2.4 時兩球的運動軌跡放大截圖015/vm

18、s圖 2.3 時兩球的運動軌跡截圖015/vm s 8x2=vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;set(head1,xdata,0+5,ydata,y1);%設置球的運動set(head2,xdata,x2+5,ydata,y2);%設置球的運動drawnow;pause(0.1); %暫停時間endfor n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);x1=5y1=50-0.5*9.8*t.2; x2=5+vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;plot(x1,y1,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20)plot

19、(x2,y2,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20)drawnow;pause(0.1); %暫停時間end實驗運行圖像如下：由圖2.5和圖2.6可以看出當甲球的水平初速度時，任一時刻兩球都位于05/vm s同一高度。最后，我們看一下當甲球的水平初速度時，實驗會出現(xiàn)什么情00/vm s況。編程如下：圖 2.5 時兩球的運動軌跡截圖05/vm s圖 2.6 時兩球的運動軌跡放大圖05/vm s 9clearvx=0; %設置水平速度figure; axis(0 55 0 50);%繪制二維圖形hold on; %保持當前圖形及軸系所有的

20、特性grid onxlabel (fontsize14rmx/m,Color,k)ylabel (fontsize14rmy/m,Color,k)set(gca,ygrid,on,GridLineStyle,-)set(gca,xgrid,on,GridLineStyle,-)fill(0,55,55,0,5,5,0,0,g);fill(0,5.5,5.5,0,49.96,49.96,45,45,y);head1=line(5,50,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式head2=line(5,

21、50,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20);%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式for n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);y1=50-0.5*9.8*t.2;x2=vx*t;y2=50-0.5*9.8*t.2;set(head1,xdata,0+5,ydata,y1);%設置球的運動set(head2,xdata,x2+5,ydata,y2);%設置球的運動drawnow;pause(0.1); %暫停時間endfor n=1:16 %設置時間t=0.20*(n-1);x1=5y1=50-0.5*9.8*t.2;x2

22、=5+vx*t; 10y2=50-0.5*9.8*t.2;plot(x1,y1,color,r,linestyle,*,erasemode,none,markersize,20)plot(x2,y2,color,b,linestyle,o,erasemode,none,markersize,20)drawnow;pause(0.1); %暫停時間end實驗運行圖像如下：由圖 2.7 和圖 2.8 可以看出；當小球水平初速度時兩球運動軌跡重合。00/vm s由以上實驗可以得出結論：當水平速度不同時，任一時刻，甲乙兩球始終位于同一高度。當水平速度時，甲球也變?yōu)樽杂陕潴w運動，所以自由落體可以看00/

23、vm s成水平速度時的平拋運動。由此可見水平方向的勻速直線運動不會影響豎00/vm s直方向的自由落體運動。2.2.2 實驗的改善實驗的改善以上我們利用 matlab 將平拋運動圖像形象直觀的畫了出來，在這些圖像中我們可以清楚的看到任一時刻甲乙兩球處于同一高度，為了把這個實驗做到精益求精，不但要看到任一時刻兩球處于同一高度，還要用數(shù)據(jù)(任一時刻兩球的坐標)來說明這一問題。接下來我們還是以三種不同水平速度、進行015/vm s05/vm s00/vm s研究。當時，某一時刻兩球坐標如下：015/vm s圖 2.8時兩球的運動軌跡放大圖00/vm s圖 2.7時兩球的運動軌跡放大圖00/vm s

24、11觀察圖 2.9，可知此時乙球的縱坐標為，甲球的縱坐標為。即此時40.4m40.4m它們處于同一豎直高度。(實驗中的某一時刻為任意選取，其他時刻兩球縱坐標亦相同，在此不一一列舉。)當時，某一時刻兩球坐標如下：05/vm s觀察圖 2.10，可知此時乙球的縱坐標為，甲球的縱坐標為。即此34.12m34.12m時它們處于同一豎直高度。(實驗中的某一時刻為任意選取，其他時刻兩球縱坐標亦相同，在此不一一列舉。)圖 2.10 當某一時刻兩球的位置坐標05/vm s圖 2.9 當某一時刻兩球的位置坐標015/vm s 12當時，某一時刻兩球坐標如下：00/vm s觀察圖 2.1 和圖 2.1 可知這一時

25、刻甲乙兩球的縱坐標都，即此時它們處于26.28m同一豎直高度。由圖 2.1 可以看出當時的平拋運動就是自由落體運動。(實00/vm s驗中的某一時刻為任意選取，其他時刻兩球縱坐標亦相同，在此不一一列舉。)由以上實驗可以得出結論：利用 matlab 我們還可以測出甲乙兩球任何時刻的坐標，通過實際坐標數(shù)據(jù)可以說明當水平速度不同時，任一時刻，甲乙兩球始終位于同一高度。特別的當甲球水平速度時，其運動變?yōu)樽杂陕潴w運動，所以自由00/vm s落體可以看成水平速度時的平拋運動。由此可見水平方向的勻速直線運動00/vm s不會影響豎直方向的自由落體運動。2.2.3 設計實驗解決第二個問題設計實驗解決第二個問題

26、平拋水平方向的勻速直線運動不會影響豎直方向的自由落體運動。那么相同時間間隔內(nèi)，平拋運動的水平位移是否相同呢？也就是說水平方向是否是勻速運動? 在以上實驗的基礎上這個問題也可以迎刃而解。實驗設計和上面基本相同，只不過在這個實驗當中只有甲球做平拋運動，不再研究乙球。接下里我們就用 matlab 對甲球運動進行模擬(以為例)如圖 2.13：實驗時間間隔為,如圖所示小球拋出點坐標為015/vm s0.2s圖 2.11 時某一時時刻甲球的位置00/vm s圖 2.12 時某一時刻乙球的位置00/vm s圖 2.13 時兩球的運動軌跡截圖05/vm s 13(5,50),后小球坐標為(8,49.8),后小

27、球坐標為(11,49.22),后小球坐標為0.2s0.4s0.6s(14,48.24),后小球坐標為(17,46.86)0.8s由這些坐標可以看出每隔小球的橫坐標增加，故可得出結論：相同時間0.2s3m間隔()小球的水平位移相同且等于。0.2s0v t時間間隔為了讓學生觀察得更加直觀清楚，現(xiàn)在我們用 matlab 對甲球運動再次進行模擬（以為例）如圖 2.14：實驗時間間隔為，如圖所示小球拋出點坐標為010/vm s0.5s(5,50)，每隔記錄下小球橫坐標正好為和.0.5s10 ,15 , 20 , 25 ,30mmmmm35m計算程序如下:clearvx=10; %設置水平速度figure

28、; axis(0 55 0 50);%繪制二維圖形hold on; grid onxlabel (fontsize14rmx/m，Color,k)ylabel (fontsize14rmy/m，Color,k)set(gca,ygrid,on,GridLineStyle,-)set(gca,xgrid,on,GridLineStyle,-)fill(0,55,55,0,5,5,0,0,g);fill(0,5.5,5.5,0,49.96,49.96,45,45,y);head=line(5,50,color,b,linestyle,o,erasemode,none，markersize,10);

29、%設置小球顏色，大小，線條和擦試方式for n=1:8 %設置時間t=0.50*(n-1);x=5+vx*t;y=50-0.5*9.8*t.2;plot(x,y,color,b,linestyle,o,erasemode,none，markersize,10)drawnow;pause(0.1); %暫停時間end由圖 2.14 可以直接得出結論：相同時間間隔（）小球的水平位移相同且等0.5s圖 2.14 平拋運動軌跡位置坐標圖 14于。0v t時間間隔綜合以上幾個實驗可以得出結論:平拋運動水平方向的勻速直線運動不會影響豎直方向的自由落體運動，水平方向為勻速運動。 153 課件制作課件制作通過上一章，Matlab 在平拋運動中的應用，我們看到相比于傳統(tǒng)的教學方法，Matlab 確實顯示出了諸多優(yōu)點，例如在模擬平拋運動的過程時，它可以比其它一般的作圖軟件顯示得更為精準，而且借助它可以將平拋運動中小球任意時刻的位置坐標顯示出來便于分析。但是 Matlab 作為一款數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言軟件，不是中學教學常用軟件，不一定每臺計算機上都裝有它，這給講課帶來不便。我們可以借助其它多媒體軟件解決這一問題。Gif 動畫制作軟件作為一款制作動畫的軟件可以將 matlab 模擬出來的靜態(tài)圖制作成動