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【物理编程】解决物理压力的正确画法

article 2024/9/23 8:23:57

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压力的画法

压力的画法

该程序是一个交互式的教育工具，它通过可视化的方式帮助学生和教师理解多边形的几何特性以及力的表示方法。以下是该程序的一些优点和对教师的帮助，用专业的语言进行总结：

增强理解力：程序通过动态绘图展示了多边形的边数、半径、力的大小和方向等参数如何影响最终的几何图形。这种直观的表示方法有助于学生更好地理解几何概念和力学原理。
促进互动学习：通过提供交互式控件，如按钮和菜单，学生可以直接操作参数，观察结果的变化，从而促进主动学习和探索式学习。
支持个性化教学：教师可以根据教学需要和学生的掌握程度，调整多边形的参数，定制化地展示不同的教学内容，使教学更加灵活和个性化。
提供实时反馈：学生的操作能够立即得到图形上的反馈，这种即时的视觉反馈有助于学生理解自己操作的结果，加深对概念的记忆。
辅助课程设计：教师可以利用该程序作为课程设计的一部分，通过预先设定的参数或挑战，引导学生完成特定的学习任务，增强课程的互动性和实践性。
便于演示和讲解：在课堂上，教师可以使用该程序来演示复杂的概念，如力的分解、多边形的对称性等，使得抽象的数学和物理概念变得更加具体和易于理解。
扩展教学资源：该程序可以作为传统教学资源的补充，为教师提供一种新的教学手段，丰富教学方法和内容。
支持远程教学：在远程教学或在线教育环境中，该程序可以作为一个在线工具，帮助教师跨越地理限制，为学生提供一致的教学体验。

总之，该程序通过其交互性和可视化特性，为教师提供了一个强大的教学辅助工具，有助于提高教学效果，激发学生的学习兴趣，同时也为教师的教学方法提供了创新的可能性。

在这里插入图片描述

import tkinter as tk
from tkinter import Menu, Button
from matplotlib.figure import Figure
from matplotlib.backends.backend_tkagg import FigureCanvasTkAgg
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

class PolygonApp:
    def __init__(self, master):
        self.master = master
        self.master.title("多边形与力的示意图")

        # 设置matplotlib绘图时使用中文和特殊字符
        plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']  # 用来正常显示中文标签
        plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用来正常显示负号

        # 初始化参数
        self.n_sides = 6
        self.radius = 1
        self.force_length = 0.5
        self.direction = 'out'  # 默认向外

        # 创建菜单
        menubar = Menu(self.master)
        self.master.config(menu=menubar)

        # 创建边数选择菜单
        sides_menu = Menu(menubar, tearoff=0)
        menubar.add_cascade(label="边数", menu=sides_menu)
        for i in range(3, 11):
            sides_menu.add_command(label=f"{i}边形", command=lambda i=i: self.update_n_sides(i))

        # 创建半径选择菜单
        radius_menu = Menu(menubar, tearoff=0)
        menubar.add_cascade(label="半径", menu=radius_menu)
        for i in [0.5, 1, 1.5, 2]:
            radius_menu.add_command(label=f"{i}单位", command=lambda i=i: self.update_radius(i))

        # 创建力长度选择菜单
        force_menu = Menu(menubar, tearoff=0)
        menubar.add_cascade(label="力的长度", menu=force_menu)
        for i in [0.2, 0.5, 0.8, 1.0]:
            force_menu.add_command(label=f"{i}单位", command=lambda i=i: self.update_force_length(i))

        # 创建力方向选择菜单
        direction_menu = Menu(menubar, tearoff=0)
        menubar.add_cascade(label="力的方向", menu=direction_menu)
        direction_menu.add_command(label="向内", command=lambda: self.update_direction('in'))
        direction_menu.add_command(label="向外", command=lambda: self.update_direction('out'))

        # 创建绘图区域
        self.fig = Figure(figsize=(5, 5), dpi=100)
        self.canvas = FigureCanvasTkAgg(self.fig, master=self.master)
        self.canvas_widget = self.canvas.get_tk_widget()
        self.canvas_widget.pack(side=tk.TOP, fill=tk.BOTH, expand=True)

        # 添加控制按钮
        self.direction_in_button = Button(master, text="方向向内", command=lambda: self.update_direction('in'))
        self.direction_in_button.pack(side=tk.LEFT, padx=5, pady=5)

        self.direction_out_button = Button(master, text="方向向外", command=lambda: self.update_direction('out'))
        self.direction_out_button.pack(side=tk.LEFT, padx=5, pady=5)

        # 添加清除按钮
        self.clear_button = Button(master, text="清除", command=self.clear_figure)
        self.clear_button.pack(side=tk.LEFT, padx=5, pady=5)

        # 绘制初始图形
        self.draw_polygon()

    def draw_polygon(self):
        self.ax = self.fig.add_subplot(111)
        self.ax.clear()  # 清除之前的图形
        self.ax.set_title("压力正确画法")

        # 生成多边形的顶点
        angles = np.linspace(0, 2 * np.pi, self.n_sides + 1)
        points = np.vstack((self.radius * np.cos(angles), self.radius * np.sin(angles))).T

        # 绘制多边形
        self.ax.plot(points[:, 0], points[:, 1], 'b-')

        # 在每个边的中点画黑点并添加力
        for i in range(self.n_sides):
            start_point = points[i]
            end_point = points[(i + 1) % self.n_sides]
            mid_point = (start_point + end_point) / 2
            self.ax.plot(mid_point[0], mid_point[1], 'ko')  # 绘制黑点

            # 计算垂线的方向
            direction_vector = np.array([end_point[1] - start_point[1], start_point[0] - end_point[0]])
            norm_direction = direction_vector / np.linalg.norm(direction_vector)
            force_direction = -norm_direction if self.direction == 'in' else norm_direction

            # 绘制垂线和箭头
            arrow_end = mid_point + force_direction * self.force_length
            self.ax.arrow(mid_point[0], mid_point[1], force_direction[0] * self.force_length, force_direction[1] * self.force_length,
                           color='red', head_width=0.05, head_length=0.1, length_includes_head=True)
            # 将力的名称放在箭头的上方
            self.ax.text(arrow_end[0], arrow_end[1] + 0.07, f'F{i+1}', color='black', ha='center')

        self.ax.set_aspect('equal', adjustable='box')
        self.ax.axis('off')
        self.canvas.draw()

    def clear_figure(self):
        self.fig.clf()
        self.canvas.draw()

    def update_n_sides(self, n_sides):
        self.n_sides = n_sides
        self.draw_polygon()

    def update_radius(self, radius):
        self.radius = radius
        self.draw_polygon()

    def update_force_length(self, force_length):
        self.force_length = force_length
        self.draw_polygon()

    def update_direction(self, direction):
        self.direction = direction
        self.draw_polygon()

root = tk.Tk()
app = PolygonApp(root)
root.mainloop()