ИНТЕРАКТИВНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ

С.Г.ЛИСИЦЫН, ОТИ МИФИ,
ФМЛ № 39, г. Озёрск, Челябинская обл.
fox@telecom.ozersk.ru

Компьютерные эксперименты в курсе физики

Физика была, видимо, одной из первых наук, в которых научный эксперимент целенаправленно использовался для получения новых знаний и проверки научных теорий. В последние десятилетия, после появления компьютеров, грань между теоретической и экспериментальной физикой стала не столь отчётливой, поскольку возник новый вид экспериментов – численные эксперименты. Такие эксперименты ставятся не над реальными объектами, а над их математическими моделями. Результаты позволяют оценить качество модели, уточнить её, оценить масштабы различных допущений. Но компьютерные эксперименты полезны и в образовании. Так, при изучении кинематики можно рассмотреть последовательное вычисление с помощью компьютера координат тела, брошенного под углом к горизонту, и вывод изображений этого тела на экран. Такой процесс будет выглядеть как мультфильм, передающий все основные закономерности движения. Казалось бы, особой нужды в таком эксперименте нет, т.к. формулы кинематики уже содержат в себе всё. Это верно, но лишь для простейшей задачи движения тела в однородном поле силы тяжести. А если мы хотим учесть силу сопротивления воздуха или изменение силы тяжести с высотой? Тогда без компьютера много сделать не удастся. Заметим, что сложность программы расчёта движения тела при этом почти не изменится.

Компьютерные эксперименты позволяют увидеть многие явления, не доступные при традиционном подходе: увидеть движение системы взаимодействующих тел, изучить на этой основе свойства неидеального газа, кристалла, капли жидкости. Можно пронаблюдать процесс плавления кристалла, испарения жидкости и т.п. Такой программный комплекс разработан на кафедре физики нашего института и более пяти лет применяется и в самом институте, и в физико-математическом лицее № 39 г. Озёрска. Рассмотрим одну из программ этого комплекса, позволяющую строить силовые линии и эквипотенциальные поверхности электрического поля системы точечных зарядов.

В начале работы вы можете расположить на экране компьютера любое число зарядов, задав произвольным образом их величины и знаки. После этого, установив в произвольную точку экрана курсор мыши и нажав её левую клавишу, вы получите силовую линию, проходящую через эту точку. Нажатие правой клавиши мыши вызовет процедуру построения эквипотенциальной поверхности, точнее, линии, получающейся от пересечения эквипотенциальной поверхности с плоскостью экрана (рисунок слева).

Изображение на экране компьютера силовых линий от двух электрических разноимённых зарядов

Что даёт нам эта картинка? Проделав даже такой простой эксперимент, вы можете обсудить с учащимися важные понятия электростатики:

– Что называется силовой линией?

– Что называется эквипотенциальной поверхностью?

– Докажите, что силовые линии всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

– Как выглядят эквипотенциальные поверхности точечного заряда? однородного поля?

– Как по картине силовых линий определить области высокой и низкой напряжённости поля?

– Как по картине эквипотенциальных поверхностей определить области высокой и низкой напряжённости поля?

Увеличенное изображение фрагмента изображения на экране компьютера

После разбора общих положений можно решить и конкретную задачу. На рисунке cправа изображён фрагмент первого рисунка, на котором кружками с цифрами внутри обозначены три области поля. Можно предложить учащимся вопросы (разрешив при поиске ответа пользоваться линейкой с делениями):

– Одинаковы или различны знаки зарядов? (Ответ. Знаки различны.)

– Есть ли на чертеже точка, в которой напряжённость поля равна нулю? (Ответ. Да, точка А.)

– Величина какого заряда больше? (Ответ. Показанного чёрным кружком.)

– Во сколько раз? (Ответ. В 16 раз.)

– Во сколько раз различаются напряжённости поля в областях 1, 2 и 3? (Ответ. Е₁ : Е₂ : Е₃ 25 : 1 : 3.)

В заключение хотел бы кратко ответить на возможный вопрос: поскольку компьютерные эксперименты позволяют увидеть всё, что можно увидеть в обычном эксперименте и даже больше, может быть, натурные эксперименты при изучении физики вовсе не нужны? Уверен, что абсолютно необходимы. Физика – наука о природе, а не о виртуальной реальности. Физические модели – это всегда приближение к реальной действительности. Поэтому компьютерные эксперименты в принципе не могут быть заменой натурных, но могут дополнить их, помочь в их теоретическом осмыслении.

Сергей Григорьевич Лисицын – доцент, к.ф.-м.н., завкафедрой физики Озёрского технологического института, учитель физики высшей квалификационной категории в ФМЛ № 39, почётный работник высшего профессионального образования, Соросовский учитель. Окончил МФТИ и аспирантуру МФТИ по кафедре «Проблемы теоретической физики». После окончания аспирантуры приехал в Озёрск и работает в ОТИ МИФИ уже 30 лет. Основная педагогическая концепция: лучшее обучение – это обучение с интересом. Считает, что можно сделать физику интересным предметом, если показать, как работают известные законы и понятия физики, увлечь поиском истины, – не по готовым формулам (их просто нет), но с помощью известных законов и понятий. А увлечь может лишь тот, кто сам увлечён. Предметом личной гордости является комплекс программ, моделирующих поведение системы взаимодействующих частиц. С его помощью можно увидеть и изучить многие процессы, происходящие в газах, жидкостях, твёрдых телах, в том числе и фазовые превращения (плавление, испарение, конденсацию и кристаллизацию, фазовые превращения ферромагнетиков). Последние 15 лет по совместительству ещё и преподаёт в лицее (со дня основания), работает с удовольствием. Главная обязанность – подготовка к олимпиадам. Радует, что приходится учить талантливых детей, – труд учителя оказывается исключительно благодарным. Лицеисты ежегодно становятся призёрами олимпиад по физике различного уровня – от городских до всероссийских. Многие поступают в МФТИ, МГУ, СПбГУ и другие ведущие вузы. Обе дочери связали свою жизнь с гуманитарными науками, но отношения с техникой хорошие – свободно владеют компьютером, водят машину. Мелкие сбои устраняют без посторонней помощи и нередко подают отцу дельные технические советы. Растёт внук. Неясно пока, кем он станет, но интерес к физике у него имеется. Жизненная позиция состоит в том, что жить необходимо с интересом, заниматься любимым делом и не ходить на работу, как на подвиг, делиться своим интересом с людьми и учиться у них. Не завидовать, жить своей жизнью и делать своё дело. В свободное время любит читать, слушать классическую музыку, интересуется живописью. Любит рыбалку и грибы летом, лыжи зимой, фотографирует.