Реферат: Деякі перспективи модельних експерементів на комп'ютері для лабораторних з фізики

Надзвичайно важливою частиною будь-якого курсу фізики є лабораторний практикум. Лабораторні роботи дають можливість перевірити на практиці правильність теоретичних уявлень про фізичні явища, що вивчаються в лекційному курсі. Крім того, на лабораторних роботах відпрацьовуються уміння й навички, необхідні для постановки експерименту.

Однак існує велика кількість процесів, механізми роботи яких відомі, але безпосереднє їх спостереження неможливе в реальному часі і в масштабі один до одного. Зокрема, більшість процесів ядерної фізики, квантової механіки, фізики напівпровідників відбуваються на мікроскопічному атомарному або молекулярному рівні. Тривають вони надзвичайно короткий час. З іншого боку, явища, що вивчаються астрономією, відбуваються на макрорівні. Їх тривалість може сягати мільярди років. Усе це сильно звужує демонстраційну і експериментальну базу курсів фізики. Необхідно відмітити також, що існує широке коло фізичних експериментів, постановка яких вимагає великих матеріальних і фінансових витрат.

Розширити демонстраційну і експериментальну базу можуть модельні експерименти на комп’ютері. Ресурси сучасних комп’ютерних систем у цілому достатні для проведення якісного модельного експерименту з екранною візуалізацією процесів.

Сучасне програмне забезпечення для ілюстрації фізичних процесів представлене демонстраційними і моделюючими програмами.

Демонстраційні програми суттєво відрізняються від моделюючих. Окремі логічно закінчені фрагменти навчального матеріалу в демонстраційних програмах, як правило, складаються з мультимедійних кліпів, з’єднаних між собою через спільне меню. Негативні й позитивні якості таких програм пов’язані саме з цією специфікою. Виклад теми не може бути змінено за обсягом чи порядком, однак його можна призупинити, повертати назад, прокручувати повторно.

Візуальна складова цих мультимедійних навчальних систем дозволяє побачити розвиток процесу, але втручатися в його проходження немає можливості.

Ауді-складова навчальної системи відповідає за пояснення подій, які демонструються візуальною складовою.

Ядром моделюючої програми є модель процесу – сукупність формул, співвідношень, алгоритмів, правил, які регламентують взаємодію між об’єктами моделювання. Процесом можна керувати за допомогою вхідних і поточних параметрів.

Основним недоліком більшості існуючих модельних програм є те, що в кожному окремому випадку модель охоплює невелику частину навчального матеріалу з теми. Кожна програма, як правило, моделює тільки один конкретний процес.

У поданій роботі зроблено спробу подолати цей недолік.

Метою цієї роботи є аналіз перспектив створення лабораторних практикумів з фізики на комп’ютері, призначених для проведення широкого кола віртуальних, фізичних, модельних експериментів з екранною імітацією процесів.

В межах модельних програм пропонується створити окремі візуальні компоненти, що виконують роль віртуальних фізичних об’єктів і можуть динамічно взаємодіяти під час роботи моделі. Саме з цих компонентів буде формуватись експериментальна база. Широке коло віртуальних фізичних експериментів повинно легко формуватися з палітри окремих компонентів.

Використання візуальних компонентів, які програмно імітують реальні фізичні об’єкти, при побудові моделі приведе до більш раціонального розподілу часу, що витрачається на створення моделі. Відповідно, більше часу залишиться на програмну реалізацію механізмів роботи моделі.

Побудову віртуального практикуму на комп’ютері можна розбити на такі проміжні етапи:

створення системи завдань для практикуму;

розробка віртуальних фізичних об’єктів;

розробка віртуальних вимірювальних пристроїв.

Створення системи завдань для практикуму. При створенні системи завдань для практикуму треба передбачити їх сполучення таким чином, щоб вони розмістилися в порядку ускладнення. Необхідно підібрати завдання так, щоб кожне наступне було прямим ускладненням попереднього і виконання наступного завдання відбувалося на основі виконаного попереднього. Це збігається з систематизацією завдань у фізиці, адже велика кількість фізичних процесів розглядається в порядку першого, другого і так далі наближення [1; 2; 3].

Передбачається, що система завдань для практикуму буде не лінійною низкою завдань, а двомірною деревоподібною структурою, коли одне просте завдання може стати родоначальником кількох більш складних.

Системи завдань для різних практикумів можуть частково доповнювати один одний.

Враховуючи вищесказане, наведемо приклад поступової деталізації завдань для моделювання в механіці і їх зв’язок з іншими розділами фізики. Початковий фрагмент системи завдань з механіки може включати:

рівномірний прямолінійний рух тіла по екрану вздовж його краю;

рівномірний прямолінійний рух тіла в будь-якому заданому напрямі з будь-якою заданою швидкістю;

рух тіла до і після зіткнення з перешкодою;

рівноприскорений (рівносповільнений) рух тіла;

коливання пружинного маятника;

рух тіла, кинутого під кутом до горизонту;

рух математичного маятника.

У молекулярній фізиці завдання про рух тіла до і після зіткнення з перешкодою може мати кілька продовжень. Зокрема, якщо помістити рухому точку (молекулу) в прямокутник, що імітує герметичну посудину, і врахувати можливість її пружного відбиття від перешкоди, то можна буде моделювати процес руху однієї молекули ідеального газу. Якщо збільшити кількість молекул, надати кожній з них випадковий напрям руху, врахувати розподіл їх за швидкостями, то можна отримати модель ідеального газу.

Завдання про рух тіла до і після зіткнення з перешкодою може мати продовження і в оптиці, це – відбивання, заломлення світла на межі двох середовищ. Доповнення ще однієї межі розділу дає можливість розглядати проходження світла через плоскопаралельну пластинку, призму. Зміна геометрії межі дозволить імітувати проходження світла через різноманітні лінзи.

Розробка віртуальних фізичних об’єктів. При програмній реалізації компонентів, які виконують роль віртуальних фізичних об’єктів, необхідно враховувати наступне.

Палітра компонентів фізичного практикуму повинна бути повна, тобто кількість компонентів достатня для реалізації широкого кола стандартних фізичних демонстраційних навчальних експериментів.

Кожен конкретний компонент повинен мати таблицю властивостей, що коректно описує його фізичний стан, розмір і розташування.

Компоненти повинні мати можливість динамічно змінювати свої властивості під час модельного експерименту.

Таблиці властивостей кожного компоненту повинні бути продумані з точки зору зручності використання при настроюванні віртуального модельного експерименту і його проведення. Саме сукупність цих таблиць задає вхідні і поточні параметри модельного експерименту.

Доступ до даних у таблиці властивостей повинен бути реалізований так, щоб у ній була можливість змін, як редагуванням за допомогою клавіатури, так і за допомогою миші. Наприклад, зміна мишею розмірів віртуального фізичного об’єкта на екрані, повинна привести до зміни його розміру в таблиці властивостей.

Паралельно з таблицею властивостей компонента повинна існувати таблиця подій. У цій таблиці зарезервовані можливості взаємодії окремих віртуальних фізичних об’єктів між собою і втручання в хід модельного експерименту за допомогою миші або клавіатури.

Необхідно також розробити методи впливу об’єктів один на одного. Саме останні два пункти резервують можливість динамічної взаємодії окремих об’єктів.

Наприклад, якщо об’єкт “промінь”, що розповсюджується в об’єкті “оптично-однорідне середовище” перетинається з об’єктом “плоско-паралельна пластинка”, то відбувається подія попадання променя на пластину. Внаслідок цього відбувається відбиття від кожної границі пластини і заломлення. Відбиття і заломлення – це методи зміни напрямку руху променя. Вигляд об’єкта “промінь”, тобто кути заломлення і відбивання, залежать від властивостей інших об’єктів, зокрема їхнього взаємного розташування. На просторове розташування променя впливають також показники заломлення середовища, пластини, частота світла і кут падіння променя.

Слід відмітити, що деякі віртуальні фізичні об’єкти (компоненти моделі), можуть застосовуватись у різних розділах фізики. Так, наприклад, кулька, що рухається по екрану, потрапляє на перешкоду, і після зіткнення відбивається від неї, може імітувати:

з одного боку, відбиття механічної кулі від перешкоди;

з другого боку, відбиття молекули ідеального газу від стінки посудини;

з третього боку, відбиття корпускули від дзеркала.

Алгоритм, який описує рух цих об’єктів та їх взаємодію з відповідними фізичними середовищами, однаковий. При моделюванні ми повною мірою абстрагуємося від фізичної суті об’єктів та середовищ, де відбувається взаємодія.

Для апробації ідеї швидкої постановки модельних експериментів з екранною імітацією в реальному часі був створений віртуальний практикум з “Геометричної оптики”.

Специфіку використання програм такого типу розглянемо на прикладі реалізації ідеї віртуального фізичного експерименту – про-ходження світлового променя через дві тонкі лінзи.

Порядок роботи з практикумом такий.

Стрілкою-маніпулятором вибираємо пот-рібні компоненти оптичної схеми на панелі компонентів (таблиця 1) і перетаскуємо їх у поле, де відбувається моделювання. Масшта-буємо компоненти.

Стрілкою-маніпулятором вказуємо нап-рям розповсюдження світла. Для цього тягне-мо лінію, що виконує роль променя світла, від джерела через оптичний елемент (через першу лінзу, рис. 1 А).