
一根摆悬挂在另一根摆的末端,青色的孪生摆几乎与粉色摆从同一位置出发。学生改变角度和质量比,观察两条轨迹在几秒内分开。
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单摆是会重复的:给它同样的起始条件,你每次都会得到同样的摆动。把第二根杆接在第一根的末端,同一条万有引力定律却造出了永不重复、也无法长期预测的运动。相差十分之一度放开的两份拷贝,起初完全同步地跟着彼此;随后它们之间的差距翻倍,再翻倍,而且节奏稳定——也就是说它按指数增长,而不是线性增长。大约十秒之内,两个摆就在做完全不同的事情了。这里没有任何随机的成分,也没有做任何近似:方程是精确的,两条轨迹分开的同时,每份拷贝的能量都保持稳定。失效的是预测,而且它失效的时间表可以直接从图上读出来。反过来,把两个起始角度都设得很小,同一个摆就会规规矩矩,差距只是来回晃动,图线也变平了——这里的混沌是“你把它甩得多用力”的性质,而不是这套装置本身的性质。学生可以改变上摆的起始角度和下摆的起始角度,并比较结果的变化。可用于与高中一起开展数学探究,投影演示或让学生各自使用设备均可。
课程标准: Common Core CCSS.MATH.CONTENT.HSF.IF.B.4, CCSS.MATH.CONTENT.HSF.LE.A.1
免费。用现代浏览器打开双摆混沌模拟实验即可,无需下载,也无需注册。
该模拟实验内置覆盖高中的学习难度预设。选择与你班级相符的难度,然后投影演示或让学生在自己的设备上使用。
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一根摆悬挂在另一根摆的末端,青色的孪生摆几乎与粉色摆从同一位置出发。学生改变角度和质量比,观察两条轨迹在几秒内分开。
输入任意函数,立刻看到它的形状。最多可以用三种颜色同时画三条曲线来比较,拖动追踪点从曲线上读出数值,并看看每条曲线在哪里穿过零点。
转动转盘、抛硬币或掷骰子,同时观察两组柱形:图形所预测的概率,以及你实际得到的结果。转十次说明不了什么;转上几百次,两者就几乎难以区分了。
移动 m,看直线如何倾斜;移动 b,看它如何上下平移。或者拖动直线上的两个点,读出它回写给你的方程。一段“上升比水平”的阶梯沿着直线往上爬,让斜率变成可以数出来的东西。
比较双体轨道与三体的八字形运动,再添加至最多十二个天体。改变初始质量、速度和位置,观察轨迹及数值能量误差。
从模型到记录
学生探索之后,用工作表记录他们的预测、观察和解释。
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