# 中和高中110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：2021年8月27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50%，共11次。
3. 期末專題報告30%，第13週開始沒有指定各週的作業，請同學提早開始準備期末專題報告。
- [學校選課網頁公告資料](https://docs.google.com/spreadsheets/u/1/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1學期行事曆](https://docs.google.com/spreadsheets/d/1HuYAkeqScImaNeGHa1StO0tiUjbrHNreZ7aF3hWfTgk/edit?usp=sharing)

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## 教學大綱

### 第1週（2021年9月2日）：因為舉辦大考中心學測試辦考試停課

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### 第2週（2021年9月9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3週（2021年9月16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（2021年9月23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：右側有牆壁的等速度直線運動
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### 第5週（2021年9月30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：同時有3個小球的自由落下
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### 第6週（2021年10月7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：終端速度 $v_t$ 與空氣阻力係數 $b$ 的關係
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### 第7週（2021年10月14日）：[水平抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/Hy4UoZfMm)

**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 $v_0$ 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：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8週（2021年10月21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：水平射程 $R$ 與初速度 $v_0$ 的關係
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### 第9週（2021年10月28日）：[斜向抛射](https://hackmd.io/@yizhewang/HJ5pArGMm)

**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 $v_0$、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：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（2021年11月4日）：[圓周運動](https://hackmd.io/@yizhewang/HkyXcLfzm)

**引起動機**
以高二上物理圓周運動為例，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11週（2021年11月11日）：[簡諧運動](https://hackmd.io/@yizhewang/S1eiJsuGzm)

**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**
作業9：鉛直簡諧運動
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### 第12週（2021年11月25日）：[單擺](https://hackmd.io/@yizhewang/H1ArzImf7)

**引起動機**

以高二上物理第五章的單擺為例，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13週（2021年12月9日）：[一維彈性碰撞](https://hackmd.io/@yizhewang/SkYXPWrfm)

**引起動機**

以兩個物體發生一維彈性碰撞的過程為例，觀察程式模擬物體撞後速度與理論預測是否相符。

**活動**

有以下兩種情境：
1. 直接用一維彈性碰撞速度公式計算物體撞後速度。
2. 在兩個物體之間加上一條理想彈簧作為緩衝，計算物體撞後速度。

**統整與總結**

作業11：碰撞過程時間與彈簧的彈性常數關係
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### 第14週（2021年12月16日）：[行星運動1](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。

**附註：第14週開始沒有指定各週的作業，請同學提早開始準備期末專題報告。**
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### 第15週（2021年12月23日）：[行星運動2](https://hackmd.io/@yizhewang/B1hUDpmGm)

**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
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### 第16週（2021年12月30日）：[重力場及電場](https://hackmd.io/@yizhewang/ry1mXiBfX)

**引起動機**

如何用較為具體的方式，表示重力場、電場的強度及方向。

**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或電場。
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### 第17週（2022年1月6日）：成果發表1

**引起動機**

每個人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**

每個人上台報告，分享自行撰寫的程式碼運作流程及成果，每人發表5分鐘，同學及教師回饋2分鐘，所有同學皆須在互評表上為其它同學評分。

**統整與總結**

每個人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18週（2022年1月13日）：成果發表2

**引起動機**

每個人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**

每個人上台報告，分享自行撰寫的程式碼運作流程及成果，每人發表5分鐘，同學及教師回饋2分鐘，所有同學皆須在互評表上為其它同學評分。

**統整與總結**

每個人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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