# 中和高中108學年第1學期多元選修Python物理模擬課程計畫

> Ver. 1: 2019/8/14
> Ver. 2: 2019/10/7 終端速度改為2週的課程，刪除原訂於第11週的單擺
> Ver. 3: 2019/11/8 使用For迴圈計算水平抛射資料改為2週的課程，刪除原訂於第12週的重力與簡諧運動

## 基本資料

* 課程中文名稱：Python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：高二
* 學分數：1
* 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。
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## 教學大綱

### 第1週：安裝及測試 VPython

**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：Python基本語法

**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**
撰寫講義上問題對應的程式碼，並上傳到教學網站中。
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### 第3週：等速度直線運動

**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**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第4週：自由落下

**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**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第5、6週：終端速度

**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**
將產生的數據利用SciDAVis或是類似的軟體作圖，並將圖片上傳到教學網站中。
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### 第7週：水平抛射

**引起動機**
以高二上物理第二章的水平拋射為例，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v0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**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第8、9週：使用For迴圈計算水平抛射資料

**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**
將產生的數據利用SciDAVis或是類似的軟體作圖，並將圖片上傳到教學網站中。
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### 第10週：斜向抛射

**引起動機**
以高二上物理第二章的斜向拋射為例，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 v0、仰角𝜃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**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中
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### 第11週：圓周運動

**引起動機**
以高二上物理第五章的圓周運動為例，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。

**統整與總結**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第12週：簡諧運動

**引起動機**
以高二上物理第五章的簡諧運動為例，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。

**統整與總結**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第13週：行星運動1

**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。

**統整與總結**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第14週：行星運動2

**引起動機**
延續上一堂課的程式，使用不同的方式產生物件。

**活動**
1. 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。
2. 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

**統整與總結**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第15週：重力場及電場

**引起動機**
如何用較為具體的方式，表示抽象的重力場強度及方向。

**活動**
在空間中每隔一段距離取一個點，以箭頭的長度及方向來表示該點的重力場。如果學生可以畫出一個星球產生的重力場，可以進一步挑戰繪製兩個星球產生的重力場。

**統整與總結**
將產生的模擬動畫截圖並上傳到教學網站中。
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### 第16週：成果發表1

**引起動機**
各組以一個物理課本當中的例子為主題設計模擬動畫並上台發表。

**活動**
每組上台報告，分享自行撰寫的程式碼運作流程及成果，每組發表10分鐘，同學及教師回饋5分鐘，所有同學皆須在互評表上為其它組別評分。

**統整與總結**
各組皆要上傳程式碼及書面報告電子檔，並於課程結束時繳交互評表。
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### 第17週：成果發表2

**引起動機**
各組以一個物理課本當中的例子為主題設計模擬動畫並上台發表。

**活動**
每組上台報告，分享自行撰寫的程式碼運作流程及成果，每組發表10分鐘，同學及教師回饋5分鐘，所有同學皆須在互評表上為其它組別評分。

**統整與總結**
各組皆要上傳程式碼及書面報告電子檔，並於課程結束時繳交互評表。
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## 多元選修行事曆

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