单摆的模型制作

用Visual Basic实现物理模型的可视化

姓名：周宏宇指导教师：万建杰届别：2011届学号：200772010252

摘要：根据目前物理实验发展的现状，采用Visual Basic语言对物理实验进行模拟，为提高实验直观效果提供了一种有效的模式。本文在分析Visual Basic 开发技术的基础之上，以理想单摆模型为例给出了设计思想及代码，用Visual Basic软件实现物理模型的可视化，与传统制作工具相比具有更高的交互性和灵活性，采用计算机辅助工具给实验者提供了直观便捷的方法。

关键词：Visual Basic；物理模型；单摆；可视化

Abstract：According to the current development status of physical experiments, using Visual Basic language to simulate the physical experiment, it will be a useful model to improve the visual effect experiments. Based on the Visual Basic, this paper shows the design and code to achieve the visualization of the physical model of the pendulum as an example. which has a higher interactivity and flexibility than the traditional authoring tools. It is a convenient way for experimenters using computer-aided tools.

Keywords：Visual Basic；Physical model；Simple pendulum；Visualization

引言

Visual Basic采用面向对象和事件驱动的程序设计新机制，把过程化和结构化编程集合在一起，为开发windows应用程序提供了强有力的开发环境和工具，其设计思想和编程方法与传统编程语言有很大差别。

在Visual Basic中，应用面向对象的程序设计方法（OOP）[2]，把程序和数据封装起来成为一个对象，每个对象都是可视化的。只需按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，直接给出窗口，命令按钮，文本框等不同类型的对象，并为每个对象赋予应有的属性，即可设计图形用户界面，通过事件来执行对象的操作。它具有简单易用，开发效率高的特点，制作生产的“.exe”文件不但可脱离Visual Basic环境而直接在Windows 下运行，并且文件所占空间下便于网络传输，这使得Visual Basic成为Windows下编辑CAI软件的较好的开发工具。Visual Basic 拥有图形用户界面（GUI）[2]和快速应用程序开发系统（RAD）[2]，可以轻易的使用DOA、RDO、ADO[2]连接数据库，或者轻松的创建ActiveX控件[2]。

单摆是质点振动系统的一种，是最简单的摆。绕一个悬点来回摆动的物体，都称为摆，但其周期一般和物体的形状、大小及密度的分布有关。但若把尺寸很小的质块悬于一端固定的长度为l[1]且不能伸长的细绳上，把物块拉离平衡位置，使细绳和过悬点铅垂线所成角度小于5o[1]，物块往复振动可视为质点的振动，其运动周期T只与摆长l、重力加速度g有关[1]，即与物块的质量、形状和振幅的大小都无关系，运动状态可用简谐振动公式表示。如果振动的角度大于o5，则振动的周期将随振幅的增加而变大，就不成为单摆了。如摆球的尺寸相当大，绳的质量不能忽略，就成为复摆[1]，周期就和摆球的尺寸有关了。

Visual Basic 是一种可视化的面向对象的程序设计语言，它采用以事件驱动对象执行的图形用户界面方式，既有windows 优越的图形窗口环境，又继承了Basic 语言的简单易学性，因此特别适合分析物理模型的需要。下面以单摆为例介绍其可视化软件的制作过程。

1. 建立物理模型

在物理学中，人们为了达到对研究事物本质和规律的认识，将研究的物理对象或物理过程及其情境通过抽象、理想化、简化和类比等方法,通常会对问题进行“去次取主”、“化繁为简”的处理，把反映研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念或实物的体系，就形成物理模型。因此物理模型是在抓住主要因素,忽略次要因素的基础上建立起来的，它能具体形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流，物理模型在物理学研究和物理教学中是不可或缺的。物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归整，用物理模型可以使抽象的假说理论加以形象化，便于想象和思考研究问题。

物理模型既源于实践,而又高于实践，在我们的生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的构建是一种重要的科学思维方法，通过对物理现象或过程，从而寻找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律达到认识问题的目的。用计算机模拟某物理过程时，首先要建立该过程的物理模型，这种模型必须是一个算法，而且要合理、可行，能真实反映物理现象，揭示其本质。

2. 制定模拟计划

模拟计划在其中包括模拟方式，模拟项目和应达到的需求等。单摆运动的实现首先要建立单摆模型。本文中建立的是理想单摆模型及摆角小于5o ，摆长大于1m ，重力加速度，小球的大小忽略不计，并且忽略系统误差和空气阻力。

单摆是一根细线上端固定，下端系着一个小球，如果悬挂细线的伸长和质量可以忽略，且系统是刚性的，在地球引力的作用下往复摆动的装置（如图1）。它是一个抽象化了的理想模型，系统质量集中在可视为质点的小球上，当单摆振动时，单摆的摆长为l ，小球的质量为m ，相对于平衡位置的角度为θ，重力加速度为29.8m g s =[1]

，其回复力由重力沿圆弧切线方向的分力θsin mg [1]提供，