На сайте 100500 рефератов в 150 категориях	Искать реферат
Рефераты на 5 с плюсом С нашим сайтом написать реферат проще простого

Некоторые перспективы реализации модельных экспериментов на компьютере и создание виртуальных лабораторных практикумов по физике

Категория: Физика, Астрономия

версия для печати

Страница: [1] [2] [3] [4]

В молекулярной физике задачи о движении тела до и после столкновения с препятствием может иметь несколько продолжений. В частности, если поместить движущуюся точку (молекулу) в прямоугольник, имитирующий герметичную емкость, и учесть возможность ее упругого отражения от препятствия, то можно будет моделировать процессе движения одной молекулы идеального газа. Если увеличить количествомолекул, предоставить каждой из них случайный направление движения, учесть распределение их по скоростям, то можно получить модель идеального газа.

Задача о движении тела до и после столкновения с препятствием может иметь продолжение и в оптике, это — отражение, преломления света на границе двух сред. Дополнение еще одной границы раздела дает возможность рассматривать прохождениесвета через плоскопараллельные пластинку, призму. Изменение геометрии границы позволит имитировать прохождение света через различные линзы.

Разработка виртуальных физических объектов. При программной реализации компонентов, которые выполняют роль виртуальных физических объектов, необходимо учитывать следующее.

Палитра компонентов физического практикумадолжна быть полная, то есть количество компонентов достаточна для реализации широкого круга стандартных физических демонстрационных учебных экспериментов.

Каждый конкретный компонент должен иметь таблицу свойств, корректно описывает его физическое состояние, размер и расположение.

Компоненты должны иметь возможность динамически изменять свои свойствапри модельного эксперимента.

Таблицы свойств каждого компонента должны быть продуманы с точки зрения удобства использования при настройке виртуального модельного эксперимента и его проведение. Именно совокупность этих таблиц задает входные и текущие параметры модельного эксперимента.

Доступ к данным в таблице свойств долженбыть реализован так, чтобы в ней была возможность изменений, как редактированием с клавиатуры, так и с помощью мыши. Например, изменение мышью размеров виртуального физического объекта на экране, должна привести к изменению его размера в таблице свойств.

Параллельно с таблицей свойств компонента должна существовать таблица событий. В этой таблицезарезервированные возможности взаимодействия отдельных виртуальных физических объектов между собой и вмешательство в ход модельного эксперимента с помощью мыши или клавиатуры.

Необходимо также разработать методы воздействия объектов друг на друга. Именно последние два пункта резервируют возможность динамического взаимодействия отдельных объектов.

Например, если объект "луч«,распространяющаяся в объекте «оптически однородная среда» пересекается с объектом «плоско-параллельная пластинка», то происходит событие попадания луча на пластину. Вследствие этого происходит отражение от каждой границы пластины и преломления. Отражения и преломления — это методы изменения направления движения луча. Вид объекта «луч», то есть углыпреломления и отражения, зависят от свойств других объектов, в частности их взаимного расположения. На пространственное расположение луча влияют также показатели преломления среды, пластины, частота света и угол падения луча.

Следует отметить, что некоторые виртуальные физические объекты (компоненты модели), могут применяться в различныхразделам физики. Так, например, шарик, движущийся по экрану, попадает на препятствие, и после столкновения отражается от нее, может имитировать:

с одной стороны, отражение механической пули от препятствия;

с другой стороны , отражение молекулы идеального газа от стенки сосуда;

с третьей стороны, отражение корпускулы от зеркала.

Алгоритм,который описывает движение этих объектов и их взаимодействие с соответствующими физическими средами, одинаков. При моделировании мы полностью абстрагируемся от физической сущности объектов и сред, где происходит взаимодействие.

Для апробации идеи быстрой постановки модельных экспериментов с экранной имитацией в реальном времени был создан виртуальный практикумс «Геометрическая оптика».

Специфику использования программ такого типа рассмотрим на примере реализации идеи виртуального физического эксперимента — о-ление светового луча через две тонкие линзы.

Порядок работы с практикумом такой.

Стрелкой-манипулятором выбираем пот-рибни компоненты оптической схемы на панели компонентов (таблица1) и перетаскиваем его в поле, где происходит моделирование. Масштабов буем компоненты.

Стрелкой-манипулятором указываем нап-рям распространения света. Для этого тянет-мо линию, которая выполняет роль луча света, от источника через оптический элемент (через первую линзу, рис. 1 А).

Далее программа сама строит отклонения пучка света на первой и второйлинзе. Отклонение света — это результат его взаимодействия с линзами.

Направление распространения света может быть произвольный. Если виртуальный луч проходит через виртуальный оптический элемент, то он меняет свое направление (рис. 1 Б.)

Надо еще раз отметить, что, кроме панели компонентов и рабочего поля, существует не-хиднисть в таблице свойствкомпонент. Свойства компонентов, на-строй, для призмы, включают: размер, коор-динатами на экране, показатель преломления для той частоты света, с которой мы проводим модельные эксперименты. В этой таблице находятся параметры компонента (виртуальных оптического элемента), которые в числовой форме показывают его собствен-свойствам. Параметры компонента могутбыть внесены в таблицу как при визуальной работе мышью (например, при рас-шуванни, или масштабировании), так и непо-средне, набором или редактированием в таблице. Таблица включает также и пара-метры, которые не могут быть настроены мышью. Примером, такого параметра является, в частности, показатель преломления.

На рис. 2 показано преломление призмой монохроматическихлучей двух различных частот.

Основная привлекательная черта этого практикума в том, что он позволяет за считанные минуты провести широкий круг виртуальных физических экспериментов.

Однако, до недавнего времени очень много времени рас-чалось на проектирование интерфейса программы, на создание самих компонентов модели, на реализа-цию динамики движения при визуализациипроектируемого процесса.

По этим второстепенными деталями порой теряется суть моделирования.

Использование программных продуктов, предс-тавленого выше типа, позволит уменьшить до минимума работы, не связанные непосредственно с моделью, и увеличить время, отведенное на формирование самого механизма работы модели. Такая программа позволит посмотретьна физический процесс «изнутри» и поэтому глубже его понять.

В рассмотренном выше практикуме по геометрической оптике не было необходимости в виртуальных измерительных устройствах. Поэтому обзор возможности их создания рассмотрен отдельно.

Страница: [1] [2] [3] [4]

версия для печати