# 中和高中110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：2022年1月4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。
- 成績計算比例
1. 平常上課表現20%
2. 作業80%，共10次
- [學校選課網頁公告資料](https://docs.google.com/spreadsheets/d/e/2PACX-1vSb-pSBvB2zGZ93nNBNOk_8wSrctuH1S16A9ITpr_JUi_UtdZgmOa6uED3b5jnxaYABAM9CS-sqHn5p/pubhtml)
- [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)
- [110學年度第2學期多元選修行事曆](https://docs.google.com/spreadsheets/d/152GxiCq9GITgZM7Q8ZbTq-5Ivp5MPDnc3O7Woa_AwiY/edit#gid=230168449)
- 110學年第2學期上傳學習歷程檔案的截止時間為4月6月18:00，想要上傳檔案的同學請注意截止時間。

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## 教學大綱

### 第1週（2022年2月10日）：由於星期五才開學，故本週無多元選修課程。

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### 第2週（2022年2月17日）：[安裝及測試 VPython](https://hackmd.io/@yizhewang/BJ2jKMbf7)、[Python基本語法](https://hackmd.io/@yizhewang/Sk_yOs-zm)

1. 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。
2. 學會使用pip或pip3指令安裝套件。
3. 學習使用if、elif、else、for、while控制程式，並用print輸出文字或數值。
4. 作業1：尤拉數

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### 第3週（2022年2月24日）：[等速度直線運動](https://hackmd.io/@yizhewang/HJ7Ejj-GX)

1. 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。
2. 畫出木塊、地板以及木塊的x-t圖、v-t圖。
3. 作業2：右側有牆壁的等速度直線運動
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### 第4週（2022年3月3日）：[自由落下](https://hackmd.io/@yizhewang/S1e8LxzGQ)

1. 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。
2. 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。
3. 作業3：同時有3個小球的自由落下
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### 第5週（2022年3月10日）：[終端速度](https://hackmd.io/@yizhewang/rJHr7-fG7)

1. 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。
2. 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。
3. 作業4：終端速度$v_t$與空氣阻力係數$b$的關係
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### 第6週（2022年3月17日）：[水平抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/Hy4UoZfMm)

1. 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。
2. 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。
3. 作業5：水平拋射的小球於牆壁與地板間來回碰撞10次
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### 第7週（2022年3月24日）：第一次段考停課

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### 第8週（2022年3月31日）：[使用For迴圈計算水平抛射資料](https://hackmd.io/@yizhewang/SJoo2fGfQ)

1. 延續上一堂課的程式，再利用for迴圈改變起始條件。
2. 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。
3. 作業6：水平射程$R$與初速度$v_0$的關係
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### 第9週（2022年4月7日）：[斜向抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/HJ5pArGMm)

1. 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。
2. 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$R$。
3. 作業7：高爾夫球水平射程$R$與初速度仰角$\theta$的關係
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### 第10週（2022年4月14日）：[圓周運動](https://hackmd.io/@yizhewang/HkyXcLfzm)

1. 以高二上力學1第4章的圓周運動為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。
2. 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。
3. 作業8：錐動擺
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### 第11週（2022年4月21日）：[簡諧運動](https://hackmd.io/@yizhewang/S1eiJsuGzm)

1. 以高二上力學1第4章的簡諧運動為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。
2. 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。
3. 作業9：鉛直簡諧運動
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### 第12週（2022年4月28日）：[單擺](https://hackmd.io/@yizhewang/H1ArzImf7)

1. 以高二上力學1第4章的單擺為例，觀察程式模擬與理論預測是否相符。
2. 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。
3. 作業10：不同起始擺角對應的單擺週期
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### 第13週（2022年5月5日）：結算學期成績
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### 第14週（2022年5月12日）：第二次分科測驗模擬考停課
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### 第15週（2022年5月19日）：自習
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### 第16週（2022年5月26日）：自習
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