# 中和高中112學年第2學期高三多元選修「程式設計與物理模擬」課程計畫

> 日期：2024年1月11日

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## 基本資料

- 課程中文名稱：程式設計與物理模擬
- 課程英文名稱：Physics Simulations in Python
- 授課教師：王一哲 [e-mail]
- 授課年段：高三
- 學分數：2
- 上課地點：電腦教室3
- 學習目標
1. 學生能學習分析物理問題及建模的方法。
2. 學生能利用程式語言描述物件遵守的物理定律。
3. 學生能將模擬程式產生的數據匯出、作圖，並與實驗數據相互對照。
- 成績計算比例
1. 平常上課表現20%
2. 作業80%，共7次。
- [學校選課網頁公告資料](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1TM6JjtjUYo3ZpONsU6NGWj9ooeecP28wiOd6Z9ZkLvM/edit#gid=0)
- [授課教師課程網頁](https://sites.google.com/view/yizhe/%E8%AA%B2%E7%A8%8B/python%E7%89%A9%E7%90%86%E6%A8%A1%E6%93%AC)
- [112學年度第2學期多元選修行事曆]()

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## 教學大綱

### 第1週（2024年2月17日）：[安裝及測試 VPython](https://hackmd.io/@yizhewang/BJ2jKMbf7)

**引起動機**
VPython 是Python的視覺化模擬套件，很適合用來模擬物理問題。

**活動**
於電腦上安裝Python及VPython套件，並以教師提供的範例程式測試套件是否已經正確安裝。

**統整與總結**
於這堂課中學生需要學會使用pip或pip3指令安裝套件。

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### 第2週（2024年2月22日）：第一次分科測驗模擬考

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### 第3週（2024年2月29日）：[Python基本語法](https://hackmd.io/@yizhewang/Sk_yOs-zm)

**引起動機**
在開始寫物理模擬程式之前，需要先學習常用的基本語法。

**活動**
學習使用if、elif、else、for、while控制程式，並用print輸出文字或數值。

**統整與總結**
作業1：尤拉數
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### 第4週（2024年3月7日）：[等速度直線運動](https://hackmd.io/@yizhewang/HJ7Ejj-GX)

**引起動機**
從最單純的等速度直線運動開始製作模擬動畫，不涉及複雜的數學計算。

**活動**
畫出木塊、地板以及木塊的 x-t 圖、 v-t 圖

**統整與總結**
作業2：等速度運動
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### 第5週（2024年3月14日）：[自由落下](https://hackmd.io/@yizhewang/S1e8LxzGQ)

**引起動機**
以學生在高一學到的自由落下為例，讓學生將模擬動畫與過去所學的知識互相對照。

**活動**
將物體加上重力的作用，畫出小球從某個高度往下加速落到地板上，並畫出小球的y-t圖、v-t圖。

**統整與總結**
作業3：三個小球同時落下
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### 第6週（2024年3月21日）：[終端速度](https://hackmd.io/@yizhewang/rJHr7-fG7)

**引起動機**
延續上一堂課的程式，探討小球如果受到空氣阻力作用時運動狀態有何變化。

**活動**
當小球從高空落下時，同時受到重力及空氣阻力的作用，試著找出小球的運動過程及終端速度，同時將得到的資料存成文字檔。

**統整與總結**
作業4：不同空氣阻力係數對應的終端速度
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### 第7週（2024年3月28日）：第一次段考

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### 第8週（2024年4月4日）：兒童節、清明節連續假期

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### 第9週（2024年4月11日）：[水平抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/Hy4UoZfMm)

**引起動機**
以高二上力學1第3章的水平拋射為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。

**活動**
將一個小球由高度 $h$ 處以水平初速 $v_0$ 抛出，小球受到重力作用向下加速，畫出在不同條件下小球運動的過程。

**統整與總結**
作業5：小球水平拋射撞牆及地板時反彈
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### 第10週（2024年4月18日）：[使用For迴圈計算水平抛射資料](https://hackmd.io/@yizhewang/SJoo2fGfQ)

**引起動機**
延續上一堂課的程式，再利用for迴圈改變起始條件。

**活動**
利用for 迴圈自動代入不同的高度 $h$ 並記錄水平射程 $R$，同時將得到的資料存成文字檔。

**統整與總結**
作業6：不同水平初速對應的水平射程
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### 第11週（2024年4月25日）：[斜向抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/HJ5pArGMm)

**引起動機**
以高二上力學1第3章的斜向拋射為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。

**活動**
將一個小球由地面以初速 $v_0$、仰角 $\theta$ 抛出，小球受到重力作用向下加速，計算小球的飛行時間 $t$ 及水平射程 $R$。

**統整與總結**
作業7：不同仰角的高爾夫球水平射程

**附註：2024年5月5日前要送交高三學期成績**
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### 第12週（2024年5月2日）：高三期末考

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### 第13週（2024年5月9日）：[圓周運動](https://hackmd.io/@yizhewang/HkyXcLfzm)

**引起動機**
以高二上力學1第5章圓周運動為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。

**活動**
畫出水平面上的等速率圓周運動。進階活動：畫出鉛直面圓周運動並計算週期。

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### 第14週（2024年5月16日）：[簡諧運動](https://hackmd.io/@yizhewang/S1eiJsuGzm)

**引起動機**
以高二上力學1第5章的簡諧運動為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。

**活動**
畫出水平面上的彈簧、木塊系統，讓木塊受到彈簧回復力的作用開始做簡諧運動。

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### 第15週（2024年5月23日）：[單擺](https://hackmd.io/@yizhewang/H1ArzImf7)

**引起動機**

以高二上力學1第5章的單擺為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。

**活動**

畫出理想的單擺，改變起始的擺角計算運動過程及週期。進階活動：考慮空氣阻力的單擺。

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### 第16週（2024年5月30日）：[行星運動](https://hackmd.io/@yizhewang/B1hUDpmGm)

**引起動機**

以克卜勒行星運動定律為例，將天體的實際數據代入程式模擬中，觀察模擬結果與理論預測是否相符。

**活動**

1. 自訂星球速度、距離， 可更改萬有引力定律中 r的次方，驗證克卜勒第一行星運動定律。
2. 用dictionary儲存星球資料，驗證克卜勒第二、第三行星運動定律。
3. 用dictionary儲存星球資料，用class 產生行星，驗證克卜勒第二、第三行星運動定律。
4. 用平均軌道半徑為1:4或1:1的行星，驗證克卜勒第三行星運動定律。

**附註：最後一次上課**。

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