1、基于flash的力学实验的仿真系统编号 2010212425 毕业论文 （ 2014 届本科）题 目： 基于flash的力学实验的仿真系统 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 物理学 作者姓名： 指导教师： 职称： 讲师 完成日期： 2014 年 5 月 10 日二一四年 五 月基于Flash的大学物理力学实验仿真系统的开发摘 要：Flash软件具有良好的动画模拟功能和良好的数据运算功能， 本设计基于此点将大学物理实验中的八个经典力学实验以Flash为平台进行了简单仿真并着重对其数据处理系统进行了开发。 帮助学习者提高对基础物理实验的自学能力、 实际操作能力和数据处理能力,为后续开设的实验
2、课程打下良好的基础。关健词：Flash；大学物理实验；实验仿真；生成图像Abstract：Flash software has a good function of animation simulation and good data operation.This design is based on the eight classical mechanics experiments in college physics experiments and conducted a simple simulation by the Flash platform. It focus on the de
3、velopment of its data processing system.On the one hand,it helps learners to improve the ability of self-learning about basic physics experiment,on the other hand, people can acquire actual capacities of operation and data processing . In brief ,learners should lay a good foundation for the subseque
4、nt courses in experiments.Keywords:Flash;universityphysics experiment;experimental preparation;image0引 言目前，以计算机技术为基础的仿真实验已经成为高校物理实验教学的一个新亮点。仿真实验是利用计算机创建的一个可视化操作环境，在这种环境中学生可以进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学目的。实践表明，将仿真物理实验应用于教学可以弥补传统实验教学的不足，提高实验教学效果。为了开发出符合学校物理实验教学要求的仿真实验，更好的发挥仿真实验的优势。学生可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学要求和目的
5、,它具有仿真性，交互性等特点。实验，是多数理工类课程和应用类课程的重要一环，对培养学生的观察和实验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的作用。实验教学正是通过让学生亲自动手操作，观察事物发展及变化，加深理解和认识从而使观察、思维、分析能力和创新精神得到培养和提高。实验教学一直是网络教育的一个薄弱环节。迫切需要建立多种实用、高效的网上虚拟实验室。利用网上虚拟实验室进行教学，可以解决传统实验教学方式在时间和空间上的限制，大大节约实验成本和经费。并可更好地培养学生的自学及创新能力。随着远程教育的不断普及，网上虚拟实验室也必将得到越来越广泛的应用。大学物理实验一般划分为三个阶段,实验前的
6、预习阶段、实验操作、完成实验报告阶段。在实际教学整个过程中, 普遍存在一些难以解决的问题,不仅影响了学生对实验的兴趣,还影响了实验课的教学效果。首先是预习阶段。学生虽然有充足的时间,但限于理论上的了解,而对实验仪器的工作原理和各功能键的倩方法很难掌握。进入实验室后,学生虽然能亲眼看到实物,但也存在由仪器名称的确认、实验原理与仪器间的联系、仪器及其控件的功能和继操作及伴随操作出现的实验现象等诸多问题。其次是完成实验报告阶段。实验报告是对所做实验进行分析、总结, 主要依据实验数据处理的基本方法和基本理论对实验所获取的数据进行分析, 总结物理规律。所以,学生是否掌握数据处理的基本方法和基本理论对实验
7、所获取的数据进行分析,总结物理规律。所以, 学生是否掌握数据处理及误差理论是能否很好地完成实验报告的关键。然而,在总课时有限的情况下,为了让学生有足够多的实验操作课时,只有压缩误差理论的教学课时( 我们的误差理论只有2 个课时) ,教师在上课时,只能高度概括地把数据处理的方法和基本理论灌输给学生,使学生难以真正理解数据处理的方法,对误差和有效数字的概念还很模糊。直至实验课时快完成一半后学生才能基本掌握数据处理的基本方法。这样大大影响了物理实验的教学效果。而且在物理实验过程中，通常对数据采用手工处理的方法，但是有些数据处理较为复杂，手工计算比较困难，而且会引入人为误差。针对大学基础物理实验中存在
8、的这些问题,本设计借用flash优越的数据处理功能和友好的界面制作出实用的实验自学系统,帮助学生提高对基础物理实验的自学能力、实验操作能力和数据处理能力,为后续开设的实验课程打下良好的基础。1系统设计主线设计主线是以Flash为载体，对大学物理实验中长度测量、用单摆测量重力加速度、自由落体运动、倾斜气垫导轨上滑块运动的研究、牛顿第二定律的验证、碰撞试验、转动惯量的测定、弹簧振子的研究八个经典力学实验进行实验预习系统、仿真模拟系统、数据处理系统和图像处理系统的开发。Flash是一种用于互联网的动画编程语言。它采用了网络流式媒体技术，突破了网络带宽的限制，可以在网络上更快速地播放动画，实现动画交互
9、；发挥个人的创造性和想象力；提供更为精美的网页界面。SWF文件在播放时非常方便，只需安装一个播放器就可以了。除此之外，Flash作品还可以打包成可执行文件，可以在没有安装浏览器插件、没有安装Flash播放器的环境中运行。根据当前实验所存在的问题和flash软件特点,我们对每个实验分三部分设计大学物理力学实验数据处理系统，具体框架如图1。图1 系统总体设计框架图本系统简单介绍了实验的背景、实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容和注意事项等，着重对预习系统、试验过程仿真模拟以及实验数据处理系统进行了开发。1.1实验预习系统传统的实验教学，一般在实验前学生阅读有关内容，了解实验的内容和操作方法 ，然
10、后到实验室做实验。为了强化预习对实验教学的作用在课前对学生的预习情况进行检查，本系统在实验预习模块中加入了测验部分，同时后期可与数据库相结合，对学生的掌握情况进行管理和统计，如图2。实验预习中的题目既包括与实验内容相关的专业知识也包括实验中的操作过程和注意事项，对学生的实验预习进行全面的考察。此部分主要是针对几个实验对应的知识点的掌握进行测评，从而使学习者明白哪方面不足，还有待进一步提高。促使学习者完善知识体系。1.1.1判断题界面提交界面如图3所示，判断界面如图4所示1.1.2 填空题界面填空题提交界面如图5所示，填空题判断界面如图6所示。1.1.3 连线题界面连线题提交界面如图7所示，连线
11、题判断界面如图8所示。1.2仿真模拟系统 随着教育信息化的不断深入，如何更好地优化教学过程、使信息技术和课程真正整合在一起便显得尤为重要。物理课堂由于其教学内容的特殊性，往往需要做大量的实验。传统的教学方式是教师在讲台上做演示，学生在下面观察，观察完后学生分成小组动手做实验。但对于偏远山区一些条件不好的学校，器材条件严重不足，另外有些实验本身具有危险性、不可重复性，且教师在实验室操作演示时，由于空间的限制学生无法细致地观察到实验的过程，这样学生在认识上的模糊就可能会导致独立操作实验的失败。还有些实验材料的采集工作非常困难，重复的实验操作也会造成大量人力、物力、财力的耗费，由于时间和教学经费的限
12、制，实验教学的目标就难以实现。为了突破这些难题，仿真实验能够提供形象逼真的实验器材和实验材料，生动地模拟实验操作过程，成为实验教学的一种扩展。 本系统充分发挥虚拟实验开放性、经济性、交互性、重用性、安全性、抗干扰性、实用性、普及性。以系统中的“弹簧振子的研究”实验为例，首先对实验的背景和实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、注意事项都做了详细介绍。动画部分克服了实验对环境的严格要求，完全模拟了真空状态下的实验过程，并且，在动画中可以随意的设定弹簧劲度系数和弹簧振子质量，在动画右上方的秒表形象地反映出振动，如图9。1.3数据处理部分对数据处理方法理论的掌握与否直接关系到学生能否用科学的方法对实
13、验所获取的数据进行分析、总结、绘图,从而得出物理规律,以达到实验目的。ActionScript是用于控制Flash动画的高级后台编程语言，它既可以控制动画的播放亦可以与文本对话框结合进行简单的数据运算。本系统数据处理方法有:求解简单方程、逐差法、最小二乘法、不确定度等 ,每个实验对应不同运算程序。例如“牛顿第二定律的验证”实验采用最小二乘法来处理数据，然后在做出测量次数与实验数据之间的关系图像。具体过程为，首先建立与测量数据对应的输入文本框进行数据收集，并对每一个文本框定义变量。再将ActionScript2.0运算符代码写入按钮动作进行运算，部分代码如下：on (press) a1 = (M
14、ath.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(Number(tb1), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta1), 2); a2 = (Math.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(Number(tb2), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta2), 2); a3 = (Math.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(Number(tb3), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta3), 2); a4 = (Math.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(N
15、umber(tb4), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta4), 2); a5 = (Math.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(Number(tb5), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta5), 2); a6 = (Math.pow(Number(d), 2)*(1/(Math.pow(Number(tb6), 2)-(1/(Math.pow(Number(ta6), 2); f1 = Number(m01)*9.801-b*(Number(va1)+Number(vb1)/2)-Number(m01)*(9.801-a1)*c;
16、f2 = Number(m02)*9.801-b*(Number(va2)+Number(vb2)/2)-Number(m02)*(9.801-a2)*c; f3 = Number(m03)*9.801-b*(Number(va3)+Number(vb3)/2)-Number(m03)*(9.801-a3)*c; f4 = Number(m04)*9.801-b*(Number(va4)+Number(vb4)/2)-Number(m04)*(9.801-a4)*c; f5 = Number(m05)*9.801-b*(Number(va5)+Number(vb5)/2)-Number(m05
17、)*(9.801-a5)*c; f6 = Number(m06)*9.801-b*(Number(va6)+Number(vb6)/2)-Number(m06)*(9.801-a6)*c;on (press) m = Number(m1)+Number(M)+Number(zhehe); a7 = (a1+a2+a3+a4+a5+a6)/6; beita = (Number(a1)-a7)*f1+(Number(a2)-a7)*f2+(Number(a3)-a7)*f3+(Number(a4)-a7)*f4+(Number(a5)-a7)*f5+(Number(a6)-a7)*f6)/(Mat
18、h.pow(Number(a1)-a7), 2)+Math.pow(Number(a2)-a7), 2)+Math.pow(Number(a3)-a7), 2)+Math.pow(Number(a4)-a7), 2)+Math.pow(Number(a5)-a7), 2)+Math.pow(Number(a6)-a7), 2);（由于张掖地区与北京纬度相近，故在本次计算中取北京重力加速度值9.801m/s2。）计算完毕后，添加对应的动态文本框对运算结果进行输出。由于本次试验是一个验证型的实验，在本模块的最后对最后运算值与真值进行比较，对结果进行分析。部分代码如下：on (press) x1 =
19、 beita-m; if (Math.abs(x1)3) x2 = 恭喜！测量结果和牛顿第二运动定律的预期值是一致的。; else x2 = 测量结果于预期值存在一定偏差，请重试。生成图像代码如下:on (press) gotoAndStop(22)lineStyle(2 ,ox3535ff ,90);moveTo(190,ydy-t1*3);lineTo(235,ydy-t2*3);moveTo(235,ydy-t2*3);lineTo(280,ydy-t3*3);moveTo(280,ydy-t3*3);lineTo(325,ydy-t4*3);moveTo(325,ydy-t4*3);l
20、ineTo(370,ydy-t5*3);moveTo(370,ydy-t5*3);lineTo(415,ydy-t6*3);lineStyle(2 ,ox000000 ,90);moveTo(625,ydy-l11*3);lineTo(670,ydy-l21*3);moveTo(670,ydy-l21*3);lineTo(715,ydy-l31*3);moveTo(715,ydy-l31*3);lineTo(760,ydy-l41*3);moveTo(760,ydy-l41*3);lineTo(805,ydy-l51*3);moveTo(805,ydy-l51*3);lineTo(850,yd
21、y-l61*3);生成图像如图10所示：2 软件系统功能分析2.1导航功能本系统界面功能介绍清晰,方便用户使用,而且每一页都有清晰明确的导航。内容按模块的方式组织,结构层次清晰明确,符合逻辑和认知规律，如图11。 (1)页面导航实现连续翻页和向头尾跳转。(2)层次结构导航实现下层向主页的跳转和主界面向下层的跳转, 将同时在各个界面都可以导航软件的使用。(3)在首页导航界面有音乐播放器(MP3)和实验后的课后娱乐(飞机大战)。(4)功能导航有时为使用者提供使用说明。2.2操作简便、界面清晰操作界面的设计仓库WEB 的设计风格,非常漂亮,色彩显示以蓝绿为主色调,背景采用黄绿保护色有助于防止长时间看
22、电子版资料造成的眼疲劳和近视。3系统开发的意义与不足3.1系统开发的意义Flash动画应用到物理实验中, 对激发学生对物理实验的兴趣起着重要的作用。特别是flash通过代码实现的优越的数据处理功能有助于学生数据处理能力的培养, 我们相信应用此系统将有助于学习者实验设计能力、 独立思考能力、 计算机应用能力和误差分析能力等综合实验能力的提高, 为学习者今后参加专业实验及学生创新思维的发展打下坚实的基础。另外，运用flash系统开发出的大学物理力学实验数据处理系统有一个友好的图形用户界面，操作该系统，使用者无需任何专业计算机数值处理知识就可以应用。3.2系统开发的不足及改进之处由于时间和条件所限，
23、加上作者技术水平有限，本文在某些方面还存在不足之处。首先，开发出来的实验还不够细腻，环境不够逼真，在动作交互设计方面也有所简化。今后还应该从以下两个方面继续努力：1积极扩展实验，完善系统。本文主要介绍了力学实验中的其中八个实验的仿真模拟及数据处理系统的开发，大学力学物理实验内容较多，还需要不断增加。2将仿真实验积极应用于教学实践。从实践中得到反馈信息，确定仿真实验中的缺点与不足，进一步改进。同时，要在教学实践中积极探索仿真实验辅助实验教学的新模式，使仿真实验能切实提高教学效果。4结束语实践证明，基于flash的大学物理实验数据处理系统能够圆满的完成大学物理各实验室的数据处理、分析工作，从而减轻实验者的计算任务并帮助其找到实验中可能存在的误差；在科学研究上可以帮助科研工作者减少大量的复杂数学运算。对一些大型或者精密测量领域，修改该系统就能够提供很好的实验依据，提高实验准确性和降低实验重复性。 在四年的大学本科学习过程中，学院里的老师都从各方面一直给予我热心的帮助和指导，使我的知识与技能得到了很大的提高。在这里本人向我们学院的所有领导和老师致以衷心的感谢！ 感谢我的毕业设计指导老师，在做毕业设计期间，得到他很大的帮助，并且教会了我很多Flash的知识和开发经验，而且他那严谨的学术态度和对学生孜孜不倦的精神令我非常感动，再一次向他致敬！
