SketchUp软件在物理教学中的应用

原创陈茂洲物理与工程

摘要

在物理教学过程中，经常会使用到各类物理模型的示意图。传统的模型示意图多为二维平面样式，其中的物理信息有时无法得到充分直观的展示，给学生的学习带来些许不便。为了解决此类问题，本文将SketchUp软件应用于物理教学，绘制三维的物理模型示意图，力求充分展示模型中的物理信息，帮助学生更好地理解相关的物理学知识。通过与教材中示意图比较可以发现，SketchUp绘制的三维示意图对物理模型的描绘更加直观，蕴含的物理信息也更加丰富，同时三维示意图的绘制过程也十分便捷。将SketchUp引入物理教学当中去绘制模型示意图，有助于学生对物理模型的深入理解，同时可以提升教师备课效率，改善课堂教学效果。

关键词物理教学；三维模型；SketchUp

Abstract In the process of physics teaching, the schematic diagrams of various physical models are often used. The traditional model diagrams are mostly two-dimensional, and sometimes the physical information in the diagrams cannot be fully and intuitively displayed, which brings some inconvenience to students， learning. In order to solve such problems, this paper applies the software SketchUp in physics teaching to draw the three-dimensional physical model diagrams, and fully display the physical information in the models to help students understand the related physics knowledge better. By comparing with the schematic diagrams in the textbooks, it can be found that the three-dimensional schematic diagrams drawn by SketchUp is more intuitive to depict the physical models, and the physical information in the diagrams is more abundant. The drawing process is also very convenient. Introducing SketchUp into physics teaching to draw model diagrams will deepen students， understanding of the physical models, and can improve the efficiency of teachers lesson preparation and the effect of classroom teaching.

在学习物理的过程中，部分学生由于对教材中示意图理解不够充分，无法掌握其中蕴含的物理知识点及规律。因而，在对物理模型进行讲解时，教师有必要借助绘图软件，对教材中原有示意图进行优化与修改，丰富示意图的内容与形式，帮助学生对物理模型作进一步的学习和理解。另外，现行的物理教材中，大部分物理模型示意图是二维平面的，而在实际教学过程中，许多物理学知识点都需要在三维空间中建立模型进行讲解，才能使学生对相关知识有更清晰的理解[1,2]。

针对以上问题，SketchUp软件恰好能够很好地解决，它可以快速方便地创建三维物理模型应用于物理教学当中，并将模型中的物理学相关知识和规律更生动形象地展示出来。

1 SketchUp软件应用简介

SketchUp是一款操作简单，功能强大的三维绘图软件。与传统的三维制图软件（如3D Studio Max，SolidWorks）相比，其操作界面更加简洁，更易操作，可以快速、方便地创建、修改三维模型[3]。对已创建好的模型，SketchUp软件可以导出多种格式的各向视图、剖析图以及效果图，具有良好的兼容性和实用性[4]。目前，SketchUp软件已广泛地应用于建筑工程[5]、模型制造[6]、园林设计[7]等多个领域。

2 SketchUp软件在物理教学中的应用实例

下面，通过将SketchUp所绘的三维模型示意图与物理教材中插图进行对比，来具体阐述SketchUp应用在物理教学中的特点与优势。图1（a）是物理教材中描述太阳与行星之间引力运动的示意图。在图1（a）中，行星围绕太阳的运动可近似看作匀速圆周运动，太阳与行星彼此间的引力方向始终沿着二者连线方向。然而，由于受到二维平面图的限制，行星运行的速度方向很难在图1（a）中建立三维坐标系进行标记，容易造成学生对行星运动方向的误解。而SketchUp绘制的三维模型示意图更利于学生对行星运动的理解。从图1（b）可以看出，行星的速度方向始终处于y轴与z轴组成的平面内，与运动轨道相切，并同向心力的方向相互垂直。与教材中示意图相比，图1（b）能够在原有示意图的基础上，使行星运行速度方向有更直观的体现。

另外，通过SketchUp构建的三维物理模型，还可以从多个视角全方位进行观察。例如，对于上述太阳与行星运动模型，可以切换不同的视角对其进行观察，如图2（a）和图2（b）所示。通过对行星运动模型的多视角观察，有助于学习者建立空间概念，理解行星在围绕太阳运行过程中的相对位置关系。同时，该三维模型图有助于学习者认识到行星所受向心力与其速度方向在运动轨道平面内的垂直关系，并在此基础上加深对圆周运动相关知识的理解。

图3（a）是教材中描述带等量异种电荷的平行板之间电场线和等势面的示意图。电场中的等势面是指电势相同的各点构成的面，但教材原有示意图并未将等势面的平面特征展示出来，只是用粉色的直线来代表电场等势面。而在SketchUp所绘的三维示意图中，平行板间的等势面用粉色矩形予以表示，更直观清晰地表现出电场等势面的平面特征，如图3（b）所示。三维带电平板模型示意图把其中的电场表现得更加形象，从图中可以直观地看到电场线均匀分布在平板之间，并与等势面相互垂直。利用此三维模型图，可以在空间中非常方便地对电场、电势等物理量进行三维方向的分析、标注、测算。同时，还可以在带电平板模型中添加磁场，并放置带电粒子组合成新的模型，学习者便可以在三维空间更直观方便地研究分析带电粒子在复合场中的运动情况。

图4（a）是教材中描述薄膜干涉原理的示意图，薄膜前后两个面的反射光会相互叠加形成干涉，但由于整个薄膜厚度不均匀，不同位置反射光的光程差不同，有的位置反射光叠加后加强，有的位置减弱，形成了明暗相间的干涉条纹。但教材中二维示意图对此原理展示不够清晰，因而我们利用SketchUp在其原有基础上进行了修改优化。图4（b）将肥皂液膜干涉模型在三维空间中进行了展示，并将薄膜颜色设置为半透明，与原图相比较，可以更清晰地展现出光波经过薄膜后表面反射之后的传播路径。同时，对于此薄膜干涉模型，可以在三维空间切换不同角度对其进行观察，避免了二维平面效果图视角单一的缺陷，有助于学习者对光波传播过程中波峰与波谷的形象认识，方便学习者理解光波的相干叠加状态。

为了解释玻意耳定律，教材中选用图5（a）对气体分子在密闭容器中的运动情况加以说明。由于二维平面示意图的局限，教材原图对气体分子在容器中的运动速度方向只在二维平面中进行了标注，易对初学者造成误导。而利用SketchUp软件绘制的分子运动示意图则可以更直观地表现出气体分子在三维空间中的运动状况。如图5（b）所示，气体分子在密闭容器中的运动速度方向是各不相同的，在恒温条件容器体积减小时，气体分子数目不变，则其对单位面积容器内壁的碰撞增多，容器内气体压强增大。另外，利用该三维模型示意图可以展现同样体积条件下，不同温度时气体分子运动状态的变化。图6（a）展示的是温度较高时，气体分子热运动速率较快的情况，而图6（b）则是温度较低的状况。通过对分子运动残影的绘制，可以形象表现出气体分子在不同温度下的运动速率，同时也展示出气体分子在三维空间中运动方向的随机性与各向异性。

3 结语

将SketchUp软件应用于物理教学，具有诸多的好处与优势。与二维示意图相比，SketchUp绘制的三维模型示意图更加生动形象，提高了学生的空间想象力，增加了学生的学习兴趣，有助于学生对物理学知识与规律的理解和运用。对于教师而言，SketchUp的应用可以提高备课效率，优化原有的教学模式，获得更好的教学质量。

参考文献

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XU J M. The exploration of SketchUp aided space graphics teaching—Taking general technology drawing teaching as an example[J]. Experiment and Equipment for Primary School, 2018(4): 60-62. （in Chinese）

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作者简介: 陈茂洲，男，大同煤炭职业技术学院助教，主要从事物理教学科研工作,研究方向为光伏发电，chenmaozhou1992@qq.com。

引文格式: 陈茂洲. SketchUp软件在物理教学中的应用[J]. 物理与工程，2021，31（6）：63-66.

Cite this article: CHEN M Z. Application of SketchUp in physics teaching[J]. Physics and Engineering, 2021， 31（6）：63-66. (in Chinese)

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原标题：《SketchUp软件在物理教学中的应用》