Продолжение. См. № 5, 7, 9, 11, 17, 19/2008

Л.В.ПИГАЛИЦЫН < levp@rambler.ru >,
МОУ СОШ № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.

Компьютерный физический эксперимент

2. МОДЕЛИРУЮЩИЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ (окончание)

1. Движение заряда в магнитном поле под действием силы Лоренца. Эта программа, моделирующая движение электрона в однородном магнитном поле, опубликована на диске «Открытая физика» версия 2.6 ч. 2 (компания «Физикон»). Сила Лоренца – это одна из фундаментальных сил природы. Поэтому учащиеся должны чётко представлять, как будет двигаться заряженная частица в магнитном поле под действием этой силы. Здесь важно рассмотреть два случая: первый – заряженная частица влетает перпендикулярно линиям магнитной индукции, второй – заряженная частица влетает под углом к линиям магнитной индукции. В первом случае траектория представляет окружность, а во втором – спираль. На рабочем столе программы расположены два окна: в левом окне моделируется движение электрона по спирали, а в правом окне рисуется проекция траектории электрона на горизонтальную плоскость. Внизу расположены три окна для ввода проекции начальной скорости на ось Х, на ось Z и величину магнитной индукции. После нажатия на кнопку «Старт», в четвёртом нижнем окне выводятся текущие значения времени движения электрона, радиус орбиты и координаты Х и Y.

Программа многофункциональна. С её помощью можно проверить направление силы Лоренца с помощью правила левой руки, вычислить радиус траектории, шаг спирали и сравнить с результатами компьютерного эксперимента.

2. Электромагнитная индукция. Эта программа позволяет смоделировать явление электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Она находится в пакете программ по физике – «PhysicsLab» на сайте http://www.physicslab.org. На рабочем столе находится П-образная рамка. В разрыв рамки (справа) подключён гальванометр. На рамку наложен вертикальный проводник, который может двигаться под действием приложенной к нему внешней силы. Вся эта конструкция находится в магнитном поле, линии магнитной индукции которого направлены от нас. На нижней панели расположены два окна прокрутки: левое позволяет изменять индукцию магнитного поля, а правое – скорость движения проводника. После введения данных, наводим курсор на надпись «go», нажимаем на левую кнопку мышки и наблюдаем за экспериментом. Проводник начинает двигаться влево, а амперметр показывает силу индукционного тока, возникающего в рамке. При желании для этой программы можно придумать ряд эвристических задач.

1. Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре. На немецком сайте http://www.walter-fendt.de/ph14e/ есть уникальная, на мой взгляд, программа «Electromagnetic Oscillating Circuit», позволяющая моделировать свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре, причём как свободные, так и затухающие. На рабочем столе изображены колебательный контур и источник тока. Ниже колебательного контура находится окно, в котором отображается время колебательно процесса. Под ним выводится на экран период колебаний колебательного контура. Правее отображаются графики напряжения на конденсаторе и силы тока в катушке индуктивности колебательного контура. Справа на рабочем столе находится панель управления и ввода данных. Вверху находится кнопка «Reset». При нажатии на неё переключатель отключает конденсатор от катушки и подключает его к источнику тока. Ниже находится кнопка «Start». Под этой кнопкой находятся кнопки «Slow motion», позволяющие изучать колебания в замедленном или ускоренном темпе. Ниже находятся окна ввода величин ёмкости конденсатора, индуктивности катушки, активного сопротивления колебательного контура и напряжения источника тока. В самом низу находятся кнопка «Voltage, Amperade», которая выводит на рабочую панель графики изменения тока и напряжения в катушке и на конденсаторе, и кнопка «Energy», при нажатии на которую графики исчезают, а на рабочем столе появляется динамическая диаграмма изменения энергии конденсатора и катушки индуктивности во время колебаний в колебательном контуре.

Если активное сопротивление колебательного контура будет равно нулю, то колебания будут незатухающими, а если не равно нулю, то затухающими. Следует обратить внимание учащихся на тот факт, что частота собственных колебаний колебательного контура зависит не только от ёмкости конденсатора и индуктивности катушки, но и от активного сопротивления колебательного контура, в которое входит активное сопротивление катушки и подводящих проводов. Возможности для работы с учащимися при использовании этой программы постине безграничны.

2. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи переменного тока. При изучении активных и реактивных сопротивлений в цепях переменного тока особое значение имеет выяснение вопроса о сдвиге фаз между током и напряжением в цепях с различными сопротивлениями. На немецком сайте http://www.walter-fendt.de/ph14e/hydrostpr.htm есть бесплатная программа «Аccircuit», которая позволяет сравнительно легко продемонстрировать учащимся сдвиг фаз в цепи с активным, емкостным и индуктивным сопротивлениями.

На верхнем снимке экрана изображена простейшая цепь с активным сопротивлением. Сила тока измеряется амперметром, а напряжение – вольтметром. Ниже расположены векторная диаграмма на данный момент времени и осциллограммы силы тока и напряжения. На правой панели находятся органы управления программой. Вверху панели можно выбрать тип сопротивления – резистор (на верхнем снимке), конденсатор (на нижнем снимке) или катушку индуктивности. Кнопка «Reset» возвращает работу программы к моменту времени t = 0. Копка «Start» запускает программу. Галочка, поставленная в окошко «Slow motion», изменяет скорость демонстрации. В окне «Frequency» вводится частота переменного тока, в окне «Max. Voltage » вводится амплитудное значение напряжения, а в нижнем – значение величины сопротивления резистора, ёмкости конденсатора или индуктивности катушки.

В самом низу панели выводится вычисленное амплитудное значение силы переменного тока. Эта программа позволяет не только продемонстрировать учащимся сдвиг фаз между током и напряжением в цепи переменного тока и создать на уроке интересные проблемные ситуации, но и заняться решением вычислительных задач на определение максимального значения силы тока в той или иной цепи.

1. Моделирование изображения в системе двух линз. В интерактивном курсе «Физика. 7–11 классы» компании «Физикон» имеется программа для такого моделирования. В компьютерной модели можно изменять положение обеих линз относительно точечного источника света непосредственно с помощью мыши. В широких пределах можно изменять оптические силы 1/F обеих линз. Компьютер вычисляет положения первого и второго изображений и определяет линейные увеличения системы из двух линз и каждой линзы в отдельности. Точечный источник света располагается на общей оптической оси линз. На рабочем столе высвечивается ход двух произвольных лучей от предмета, испытывающих преломление в обеих линзах.

Обратите внимание на то, что в том случае, когда второе изображение предмета находится в бесконечности (f₂ = ), система из двух линз моделирует ход лучей в микроскопе в предположении, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность.

2. Дифракция света. На мой взгляд, эта программа, опубликованная на диске «Открытая физика» версия 2.6 ч. 2 компании «Физикон», является одной из лучших по моделированию дифракционных явлений в волновой оптике. Она позволяет провести компьютерный эксперимент, демонстрирующий качественный характер дифракционных картин, возникающих на удалённом экране при дифракции света на круглых (шарик, круглое отверстие в непрозрачном экране), а также на линейных препятствиях (щель, длинная нить). Можно изменять длину волны падающего света и размер препятствия – радиус R шарика или круглого отверстия, ширину d щели или толщину нити.

Обратите внимание, что при дифракции на шарике в центре дифракционной картины всегда наблюдается светлое пятно (пятно Пуассона), а при дифракции на круглом отверстии светлое пятно в центре возникает при целых нечётных значениях числа зон Френеля, в то время, как при чётных значениях числа зон Френеля в центре картины наблюдается тёмное пятно.

3. Исследование фотоэффекта. На немецком сайте http://www.walter-fendt.de/ph14e/hydrostpr.htm размещена серьёзная программа по моделированию внешнего фотоэффекта. На рабочем столе располагается установка, состоящая из источника света – ртутной лампы, излучающей свет в видимом и ультрафиолетовом диапазонах световых волн. Свет от лампы падает на сменные светофильтры, пропускающие разные длины световых волн Затем свет с помощью собирающей линзы фокусируется на катоде (С) вакуумного фотоэлемента и вызывает эмиссию электронов. Вакуумный фотоэлемент включён в схему, содержащую две цепи. Левая служит для подачи на фотоэлемент запирающего напряжения с помощью потенциометра. Величина запирающего напряжения измеряется вольтметром (левым на схеме).

Чтобы находить максимальную кинетическую энергию выбитых электронов, необходимо увеличить запирающее напряжение с помощью потенциометра так, чтобы электроны не достигали анода (A).

Правая часть схемы, состоящая из дифференцирующей цепочки, усилителя и вольтметра (правого на схеме) позволяет выяснить, достигают ли электроны анода (А) фотоэлемента.

В верхней части правой панели находится окно выбора материала катода (цезий, калий, натрий). Ниже находится окно выбора светофильтра, пропускающего свет определённой длины волны – жёлтой (578 нм), зелёной (546 нм), фиолетовой (436 нм) и ультрафиолетовыми (365 нм и 254 нм). Ещё ниже расположено окно прокрутки для изменения запирающего напряжения от 0 до 3 В. На панель выводятся данные эксперимента: частота падающего света (ТГц), энергия фотона, соответствующая этой частоте, работа выхода электрона из выбранного материала катода и максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов. Проведя по нескольку опытов со всеми металлами, вы получите на графике U/f (в левой нижней части рабочего стола) три параллельные линии. На фото изображена одна из них. По углу наклона этих линий можно определить постоянную Планка.

1. Опыт Резерфорда. Программы для моделирующего компьютерного эксперимента, как уже говорилось, могут создавать и сами учащиеся. В качестве примера рассмотрим программу, моделирующую опыт Резерфорда, созданную моим учеником Игорем Квасовым.

На рабочем столе слева изображена -частица, своеобразный «снаряд», которым будет обстреливаться ядро атома. Программа построена так, что обстреливать можно ядра практически всех химических элементов, начиная с лития и заканчивая ураном. В данном случае бомбардируется калий.

Работать с программой просто. Сначала выбирается прицельное расстояние. Для этого курсор наводят на -частицу и мышкой передвигают её вверх или вниз, выбирая прицельное расстояние. После этого нажимают на кнопку «Старт», расположенную на рабочем столе и наблюдают траекторию -частицы. Затем выбирают другое прицельное расстояние и продолжают эксперимент. В результате на рабочем столе получаются траектории -частиц. После «обстрела» калия выбираем другой химический элемент, прогнозируем результаты и снова проводим эксперимент. Программа в отличие от аналогичных хороша тем, что позволяет бомбардировать -частицами практически все элементы Периодической системы элементов Менделеева.

Программу можно скачать с моего сайта www.physics-computer.by.ru.

2. Ядерный реактор. Эта программа находится в разделе «Лаборатория» интерактивного курса «Физика. 7–11 классы» компании «Физикон». Ядерный реактор – это устройство, предназначенное для превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию. В ядре реактора находится радиоактивное вещество (обычно уран или плутоний). Энергия, выделяемая за счёт -распада этих атомов, нагревает воду. Получающийся водяной пар устремляется в паровую турбину; за счёт её вращения в электрогенераторе вырабатывается электрический ток. Тёплая вода после соответствующей очистки выливается в расположенный рядом водоём; оттуда же в реактор поступает холодная вода.

Специальный герметичный кожух защищает окружающую среду от смертоносного излучения.

Специальные графитовые стержни поглощают быстрые нейтроны. С их помощью можно управлять ходом реакции. Нажмите кнопку «Поднять» (это можно сделать, только если включены насосы, закачивающие холодную воду в реактор) и включите «Условия процесса». После того как стержни будут подняты, начнётся ядерная реакция. Температура T₁ внутри реактора возрастёт до 300 °С, и вода вскоре начнёт кипеть. Взглянув на амперметр в правом углу экрана, можно убедиться, что реактор начал вырабатывать электрический ток. Задвинув стержни обратно, можно приостановить цепную реакцию.

В заключение, как и в статье по демонстрационному компьютерному эксперименту, хочу сказать, что даже эта небольшая подборка программ по моделирующему компьютерному эксперименту свидетельствует о том, что подобные программы смогут помочь учителю повысить мотивацию школьников к изучению физики, поскольку такие программы наглядны, красочны и позволяют познакомить со сложными физическими явлениями и их техническими применениями. Программы с сайта http://www.walter-fendt.de/ph14e/hydrostpr.htm надёжно работают в браузерах «Оpera 7.2» и «Mozilla Firefox» и в некоторых сборках IE7. Различные программы по этой тематике можно найти практически в каждом компьютерном интерактивном курсе по физике, компьютерных физических энциклопедиях и на многочисленных сайтах в интернете.

Уважаемые читатели! Предлагаю вместе создавать библиотеку программ по моделирующему компьютерному эксперименту. Разместить их можно на моём сайте www.physics-computer.by.ru., который специально создан для материалов по компьютерным образовательным технологиям по физике. Присылайте программы или ссылки на сайты, на которых они размещены, и я опубликую их на своём сайте.

Если у кого-либо возникнут чисто технические проблемы в связи с запуском отдельных программ или методические, связанные с их использованием в учебном процессе, напишите мне, я обязательно помогу.