‘≥зика > ƒе¤к≥ перспективи модельних експеремент≥в на комп'ютер≥ дл¤ лабораторних з ф≥зики

ƒе¤к≥ перспективи модельних експеремент≥в на комп'ютер≥ дл¤ лабораторних з ф≥зики

Ќадзвичайно важливою частиною будь-¤кого курсу ф≥зики Ї лабораторний практикум. Ћабораторн≥ роботи дають можлив≥сть перев≥рити на практиц≥ правильн≥сть теоретичних у¤влень про ф≥зичн≥ ¤вища, що вивчаютьс¤ в лекц≥йному курс≥.  р≥м того, на лабораторних роботах в≥дпрацьовуютьс¤ ум≥нн¤ й навички, необх≥дн≥ дл¤ постановки експерименту.

ќднак ≥снуЇ велика к≥льк≥сть процес≥в, механ≥зми роботи ¤ких в≥дом≥, але безпосереднЇ њх спостереженн¤ неможливе в реальному час≥ ≥ в масштаб≥ один до одного. «окрема, б≥льш≥сть процес≥в ¤дерноњ ф≥зики, квантовоњ механ≥ки, ф≥зики нап≥впров≥дник≥в в≥дбуваютьс¤ на м≥кроскоп≥чному атомарному або молекул¤рному р≥вн≥. “ривають вони надзвичайно короткий час. « ≥ншого боку, ¤вища, що вивчаютьс¤ астроном≥Їю, в≥дбуваютьс¤ на макрор≥вн≥. ѓх тривал≥сть може с¤гати м≥ль¤рди рок≥в. ”се це сильно звужуЇ демонстрац≥йну ≥ експериментальну базу курс≥в ф≥зики. Ќеобх≥дно в≥дм≥тити також, що ≥снуЇ широке коло ф≥зичних експеримент≥в, постановка ¤ких вимагаЇ великих матер≥альних ≥ ф≥нансових витрат.

–озширити демонстрац≥йну ≥ експериментальну базу можуть модельн≥ експерименти на компТютер≥. –есурси сучасних компТютерних систем у ц≥лому достатн≥ дл¤ проведенн¤ ¤к≥сного модельного експерименту з екранною в≥зуал≥зац≥Їю процес≥в.

—учасне програмне забезпеченн¤ дл¤ ≥люстрац≥њ ф≥зичних процес≥в представлене демонстрац≥йними ≥ моделюючими програмами.

ƒемонстрац≥йн≥ програми суттЇво в≥др≥зн¤ютьс¤ в≥д моделюючих. ќкрем≥ лог≥чно зак≥нчен≥ фрагменти навчального матер≥алу в демонстрац≥йних програмах, ¤к правило, складаютьс¤ з мультимед≥йних кл≥п≥в, зТЇднаних м≥ж собою через сп≥льне меню. Ќегативн≥ й позитивн≥ ¤кост≥ таких програм повТ¤зан≥ саме з ц≥Їю специф≥кою. ¬иклад теми не може бути зм≥нено за обс¤гом чи пор¤дком, однак його можна призупинити, повертати назад, прокручувати повторно.

¬≥зуальна складова цих мультимед≥йних навчальних систем дозвол¤Ї побачити розвиток процесу, але втручатис¤ в його проходженн¤ немаЇ можливост≥.

јуд≥-складова навчальноњ системи в≥дпов≥даЇ за по¤сненн¤ под≥й, ¤к≥ демонструютьс¤ в≥зуальною складовою.

ядром моделюючоњ програми Ї модель процесу Ц сукупн≥сть формул, сп≥вв≥дношень, алгоритм≥в, правил, ¤к≥ регламентують взаЇмод≥ю м≥ж обТЇктами моделюванн¤. ѕроцесом можна керувати за допомогою вх≥дних ≥ поточних параметр≥в.

ќсновним недол≥ком б≥льшост≥ ≥снуючих модельних програм Ї те, що в кожному окремому випадку модель охоплюЇ невелику частину навчального матер≥алу з теми.  ожна програма, ¤к правило, моделюЇ т≥льки один конкретний процес.

” подан≥й робот≥ зроблено спробу подолати цей недол≥к.

ћетою ц≥Їњ роботи Ї анал≥з перспектив створенн¤ лабораторних практикум≥в з ф≥зики на компТютер≥, призначених дл¤ проведенн¤ широкого кола в≥ртуальних, ф≥зичних, модельних експеримент≥в з екранною ≥м≥тац≥Їю процес≥в.

¬ межах модельних програм пропонуЇтьс¤ створити окрем≥ в≥зуальн≥ компоненти, що виконують роль в≥ртуальних ф≥зичних обТЇкт≥в ≥ можуть динам≥чно взаЇмод≥¤ти п≥д час роботи модел≥. —аме з цих компонент≥в буде формуватись експериментальна база. Ўироке коло в≥ртуальних ф≥зичних експеримент≥в повинно легко формуватис¤ з пал≥три окремих компонент≥в.

¬икористанн¤ в≥зуальних компонент≥в, ¤к≥ програмно ≥м≥тують реальн≥ ф≥зичн≥ обТЇкти, при побудов≥ модел≥ приведе до б≥льш рац≥онального розпод≥лу часу, що витрачаЇтьс¤ на створенн¤ модел≥. ¬≥дпов≥дно, б≥льше часу залишитьс¤ на програмну реал≥зац≥ю механ≥зм≥в роботи модел≥.

ѕобудову в≥ртуального практикуму на компТютер≥ можна розбити на так≥ пром≥жн≥ етапи:

створенн¤ системи завдань дл¤ практикуму;

розробка в≥ртуальних ф≥зичних обТЇкт≥в;

розробка в≥ртуальних вим≥рювальних пристроњв.

—творенн¤ системи завдань дл¤ практикуму. ѕри створенн≥ системи завдань дл¤ практикуму треба передбачити њх сполученн¤ таким чином, щоб вони розм≥стилис¤ в пор¤дку ускладненн¤. Ќеобх≥дно п≥д≥брати завданн¤ так, щоб кожне наступне було пр¤мим ускладненн¤м попереднього ≥ виконанн¤ наступного завданн¤ в≥дбувалос¤ на основ≥ виконаного попереднього. ÷е зб≥гаЇтьс¤ з систематизац≥Їю завдань у ф≥зиц≥, адже велика к≥льк≥сть ф≥зичних процес≥в розгл¤даЇтьс¤ в пор¤дку першого, другого ≥ так дал≥ наближенн¤ [1; 2; 3].

ѕередбачаЇтьс¤, що система завдань дл¤ практикуму буде не л≥н≥йною низкою завдань, а двом≥рною деревопод≥бною структурою, коли одне просте завданн¤ може стати родоначальником к≥лькох б≥льш складних.

—истеми завдань дл¤ р≥зних практикум≥в можуть частково доповнювати один одний.

¬раховуючи вищесказане, наведемо приклад поступовоњ детал≥зац≥њ завдань дл¤ моделюванн¤ в механ≥ц≥ ≥ њх звТ¤зок з ≥ншими розд≥лами ф≥зики. ѕочатковий фрагмент системи завдань з механ≥ки може включати:

р≥вном≥рний пр¤мол≥н≥йний рух т≥ла по екрану вздовж його краю;

р≥вном≥рний пр¤мол≥н≥йний рух т≥ла в будь-¤кому заданому напр¤м≥ з будь-¤кою заданою швидк≥стю;

рух т≥ла до ≥ п≥сл¤ з≥ткненн¤ з перешкодою;

р≥вноприскорений (р≥вноспов≥льнений) рух т≥ла;

коливанн¤ пружинного ма¤тника;

рух т≥ла, кинутого п≥д кутом до горизонту;

рух математичного ма¤тника.

” молекул¤рн≥й ф≥зиц≥ завданн¤ про рух т≥ла до ≥ п≥сл¤ з≥ткненн¤ з перешкодою може мати к≥лька продовжень. «окрема, ¤кщо пом≥стити рухому точку (молекулу) в пр¤мокутник, що ≥м≥туЇ герметичну посудину, ≥ врахувати можлив≥сть њњ пружного в≥дбитт¤ в≥д перешкоди, то можна буде моделювати процес руху одн≥Їњ молекули ≥деального газу. якщо зб≥льшити к≥льк≥сть молекул, надати кожн≥й з них випадковий напр¤м руху, врахувати розпод≥л њх за швидкост¤ми, то можна отримати модель ≥деального газу.

«авданн¤ про рух т≥ла до ≥ п≥сл¤ з≥ткненн¤ з перешкодою може мати продовженн¤ ≥ в оптиц≥, це Ц в≥дбиванн¤, заломленн¤ св≥тла на меж≥ двох середовищ. ƒоповненн¤ ще одн≥Їњ меж≥ розд≥лу даЇ можлив≥сть розгл¤дати проходженн¤ св≥тла через плоскопаралельну пластинку, призму. «м≥на геометр≥њ меж≥ дозволить ≥м≥тувати проходженн¤ св≥тла через р≥зноман≥тн≥ л≥нзи.

–озробка в≥ртуальних ф≥зичних обТЇкт≥в. ѕри програмн≥й реал≥зац≥њ компонент≥в, ¤к≥ виконують роль в≥ртуальних ф≥зичних обТЇкт≥в, необх≥дно враховувати наступне.

ѕал≥тра компонент≥в ф≥зичного практикуму повинна бути повна, тобто к≥льк≥сть компонент≥в достатн¤ дл¤ реал≥зац≥њ широкого кола стандартних ф≥зичних демонстрац≥йних навчальних експеримент≥в.

 ожен конкретний компонент повинен мати таблицю властивостей, що коректно описуЇ його ф≥зичний стан, розм≥р ≥ розташуванн¤.

 омпоненти повинн≥ мати можлив≥сть динам≥чно зм≥нювати своњ властивост≥ п≥д час модельного експерименту.

“аблиц≥ властивостей кожного компоненту повинн≥ бути продуман≥ з точки зору зручност≥ використанн¤ при настроюванн≥ в≥ртуального модельного експерименту ≥ його проведенн¤. —аме сукупн≥сть цих таблиць задаЇ вх≥дн≥ ≥ поточн≥ параметри модельного експерименту.

ƒоступ до даних у таблиц≥ властивостей повинен бути реал≥зований так, щоб у н≥й була можлив≥сть зм≥н, ¤к редагуванн¤м за допомогою клав≥атури, так ≥ за допомогою миш≥. Ќаприклад, зм≥на мишею розм≥р≥в в≥ртуального ф≥зичного обТЇкта на екран≥, повинна привести до зм≥ни його розм≥ру в таблиц≥ властивостей.

ѕаралельно з таблицею властивостей компонента повинна ≥снувати таблиц¤ под≥й. ” ц≥й таблиц≥ зарезервован≥ можливост≥ взаЇмод≥њ окремих в≥ртуальних ф≥зичних обТЇкт≥в м≥ж собою ≥ втручанн¤ в х≥д модельного експерименту за допомогою миш≥ або клав≥атури.

Ќеобх≥дно також розробити методи впливу обТЇкт≥в один на одного. —аме останн≥ два пункти резервують можлив≥сть динам≥чноњ взаЇмод≥њ окремих обТЇкт≥в.

Ќаприклад, ¤кщо обТЇкт Упром≥ньФ, що розповсюджуЇтьс¤ в обТЇкт≥ Уоптично-однор≥дне середовищеФ перетинаЇтьс¤ з обТЇктом Уплоско-паралельна пластинкаФ, то в≥дбуваЇтьс¤ под≥¤ попаданн¤ промен¤ на пластину. ¬насл≥док цього в≥дбуваЇтьс¤ в≥дбитт¤ в≥д кожноњ границ≥ пластини ≥ заломленн¤. ¬≥дбитт¤ ≥ заломленн¤ Ц це методи зм≥ни напр¤мку руху промен¤. ¬игл¤д обТЇкта Упром≥ньФ, тобто кути заломленн¤ ≥ в≥дбиванн¤, залежать в≥д властивостей ≥нших обТЇкт≥в, зокрема њхнього взаЇмного розташуванн¤. Ќа просторове розташуванн¤ промен¤ впливають також показники заломленн¤ середовища, пластини, частота св≥тла ≥ кут пад≥нн¤ промен¤.

—л≥д в≥дм≥тити, що де¤к≥ в≥ртуальн≥ ф≥зичн≥ обТЇкти (компоненти модел≥), можуть застосовуватись у р≥зних розд≥лах ф≥зики. “ак, наприклад, кулька, що рухаЇтьс¤ по екрану, потрапл¤Ї на перешкоду, ≥ п≥сл¤ з≥ткненн¤ в≥дбиваЇтьс¤ в≥д нењ, може ≥м≥тувати:

з одного боку, в≥дбитт¤ механ≥чноњ кул≥ в≥д перешкоди;

з другого боку, в≥дбитт¤ молекули ≥деального газу в≥д ст≥нки посудини;

з третього боку, в≥дбитт¤ корпускули в≥д дзеркала.

јлгоритм, ¤кий описуЇ рух цих обТЇкт≥в та њх взаЇмод≥ю з в≥дпов≥дними ф≥зичними середовищами, однаковий. ѕри моделюванн≥ ми повною м≥рою абстрагуЇмос¤ в≥д ф≥зичноњ сут≥ обТЇкт≥в та середовищ, де в≥дбуваЇтьс¤ взаЇмод≥¤.

ƒл¤ апробац≥њ ≥дењ швидкоњ постановки модельних експеримент≥в з екранною ≥м≥тац≥Їю в реальному час≥ був створений в≥ртуальний практикум з У√еометричноњ оптикиФ.

—пециф≥ку використанн¤ програм такого типу розгл¤немо на приклад≥ реал≥зац≥њ ≥дењ в≥ртуального ф≥зичного експерименту Ц про-ходженн¤ св≥тлового промен¤ через дв≥ тонк≥ л≥нзи.

ѕор¤док роботи з практикумом такий.

—тр≥лкою-ман≥пул¤тором вибираЇмо пот-р≥бн≥ компоненти оптичноњ схеми на панел≥ компонент≥в (таблиц¤ 1) ≥ перетаскуЇмо њх у поле, де в≥дбуваЇтьс¤ моделюванн¤. ћасшта-буЇмо компоненти.

—тр≥лкою-ман≥пул¤тором вказуЇмо нап-р¤м розповсюдженн¤ св≥тла. ƒл¤ цього т¤гне-мо л≥н≥ю, що виконуЇ роль промен¤ св≥тла, в≥д джерела через оптичний елемент (через першу л≥нзу, рис. 1 ј).

1	2	3

Ќазва: ƒе¤к≥ перспективи модельних експеремент≥в на комп'ютер≥ дл¤ лабораторних з ф≥зики
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-03-24 (1813 прочитано)