# 中和高中113學年第1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7月3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60%，共10次。
3. 自主研究專題報告20%，請同學提早開始準備自主研究專題報告。
- [學校選課網頁公告資料](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1TM6JjtjUYo3ZpONsU6NGWj9ooeecP28wiOd6Z9ZkLvM/edit?gid=0#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)
- [113學年度第1學期行事曆](https://drive.google.com/file/d/1zK31hXQ6L5SutHF3LMRBUR5gG_-4opY5/view)

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## 教學大綱

### 第1週：尚未開學

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### 第2週（2024年9月5日）：第一次學測模擬考第二天

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### 第3週（2024年9月12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4週（2024年9月19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5週（2024年9月26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6週（2024年10月3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7週（2024年10月10日）：國慶日放假

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### 第8週（2024年10月17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9週（2024年10月24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10月31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11月7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
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### 第12週（2024年11月14日）：全校運動會

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### 第13週（2024年11月21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。

**統整與總結**
作業8：錐動擺
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### 第14週（2024年11月28日）：第二次段考第一天

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### 第15週（2024年12月5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。

**統整與總結**
作業9：鉛直簡諧運動

**附註：請同學提早開始準備自主研究專題報告。**
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### 第16週（2024年12月12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。

**統整與總結**

作業10：不同起始擺角對應的單擺週期

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### 第17週（2024年12月19日）：準備自主研究專題報告

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### 第18週（2024年12月26日）：自主研究專題報告

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### 第19週（2025年1月2日）：高三期末考第一天

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### 第20週（2025年1月9日）：自習

**附註：最後一次上課**。

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