Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 17/2009

7. Компьютерные физические конструкторы (продолжение)

7.2. «Живая Физика (Interactive Physics)» (окончание)

Модель 4. Регулируемая упругость (можно исследовать взаимодействие двух мячей, летящих под углом 90° друг к другу).

Как видно из рисунка, с помощью регулятора можно изменять коэффициент упругости мячей от 0 до 1.

При нажатии кнопки Старт мячи начинают двигаться, при этом их скорости направлены перпендикулярно друг другу. на рабочем столе вычерчиваются траектории мячей с векторами их скоростей.

Я провёл три эксперимента, задавая разные коэффициенты упругости:

– Коэффициент упругости равен 1. в этом случае соударение мячей абсолютно упругое, мячи разлетаются под прямым углом (траектории 1 на рисунке);

– Коэффициент упругости равен 0,5. Угол между траекториями 2 разлетающихся мячей не равен 90°. При желании его можно рассчитать и сравнить с тем, что получилось на рисунке, измерив угол разлёта обычным транспортиром;

– Коэффициент упругости равен 0, т.е. взаимодействие абсолютно неупругое, после столкновения мячи слипаются и летят вместе, траектория 3.

Эта модель прекрасно дополняет теорию столкновений тел в курсе физики средней школы.

 

Модель 5. Регулируемый пружинный маятник (можно изменять жёсткость пружины и массу колеблющегося тела).

В центре рабочего стола программы собирается пружинный маятник. Для этого вверху помещается брусок и закрепляется якорем. На нём закрепляется верхний конец пружины, к нижнему концу пружины крепится диск. Для изменения жёсткости пружины и массы колеблющегося тела на рабочий стол помещаются два соответствующих регулятора, позволяющих изменять жёсткость в пределах 10–200 Н/м и массу в пределах 1–4 кг. Слева помещено окно для ввода частоты собственных колебаний собранного маятника.

Если нажать на кнопку Старт, то можно увидеть колебания маятника и графики изменения его координаты и скорости. На рисунке приведён эксперимент при жёсткости 30 Н/м и массе тела 4 кг.

Учащимся можно дать задание вычислить период и частоту колебаний пружинного маятника с заданными параметрами и проверить правильность вычислений на этой модели. Модель можно использовать в качестве кратковременной фронтальной лабораторной работы, которую можно провести на уроке при изучении колебаний пружинного маятника для закрепления изученного материала.

 

Модель 6. Эффект Доплера. Несомненным достоинством конструктора «Живая Физика» является возможность использования звуковых эффектов. Как видно из рисунка, на рабочем столе находятся два наблюдателя – мужчина и девочка, – мимо которых может проезжать источник звука – автомобиль с включённым звуковым сигналом.

Внизу расположены три регулятора: левый позволяет изменять скорость источника звука (автомобиля) в пределах 0–100 м/с, средний – изменять скорость звука в пределах 100–1100 м/с, правый – скорость наблюдателя в пределах 0–100 м/с.

В верхней части рабочего стола расположен график изменения громкости звука, когда источник звука проезжает мимо наблюдателя, и относительное изменение частоты колебаний: при приближении источника звука к наблюдателю его частота выше, а при удалении – ниже. Эксперимент, изображённый на рисунке, проводился для неподвижного наблюдателя: скорость источника звука 60 м/с, скорость звука 600 м/с.

Возможности модели расширены за счёт того, что в ней предусмотрено изменение скорости не только источника звука, но и наблюдателя. В связи с этим учитель может создавать на уроке различные проблемные ситуации, связанные с эффектом Доплера.

Безусловно, учащимся необходимо рассказать и о том, что эффект Доплера применим не только к звуковым волнам, но и к световым. В качестве примера можно сообщить, что если жёлтая звезда будет от нас удаляться, то она будет краснеть (частота излучения уменьшается), а если будет приближаться, то синеть (частота излучения будет увеличиваться).

 

Модель 7. Электрический диполь. В «Живой Физике» есть ещё одна интересная возможность – сообщать всем объектам, помещаемым на рабочий стол, электрический заряд, а поскольку каждый заряд создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, то, естественно, этот конструктор позволяет создавать модели, на которых можно изучать взаимодействие электрических зарядов или их влияние на исследуемые механические процессы. Рассмотрим модель, иллюстрирующую взаимодействие диполя с закреплённой заряженной частицей.

При нажатии кнопки Старт диполь начинает колебаться. Если трение в оси диполя или сопротивление среды отсутствует, то колебания будут происходить бесконечно долго. Но исследование можно усложнить, если ввести силу трения в ось диполя, – колебания станут затухающими. Здесь можно поставить ряд проблемных вопросов, что естественно усилит мотивацию к изучению данного материала.

 

Модель 8. Масс-спектрометр. Эта модель может служить иллюстрацией силы Лоренца. На рабочем столе изображён источник ионов, из которого ионы вылетают и попадают в магнитное поле, где на них действует сила Лоренца, заставляя двигаться по окружности. Из рисунка видно, что эта сила всегда направлена к центру окружности. Ионы, попадая на вертикальный люминесцентный экран, вызывают вспышки люминофора.

В модели можно изменять массу ионов, скорость их вылета из селектора скоростей и заряд частицы.

Модель довольно несовершенна, но это, по-моему, скорее достоинство, т.к. у учителя и учащихся может возникнуть желание модернизировать эту программу.

Модель 9. Циклотрон. Модель может оказаться весьма полезной при изучении ядерной физики и физики элементарных частиц. На рабочем столе расположены дуанты циклотрона с источником заряженных частиц в центре. Если включить одновременно периодически меняющееся электрическое поле между дуантами и вертикальное постоянное магнитное поле, то заряженные частицы будут двигаться по спирали с периодически увеличивающейся скоростью, а внизу будет вычерчиваться зависимость кинетической энергии заряженной частицы от времени.

Данная модель сильно упрощена, но, как и в предыдущем случае, это скорее плюс, чем минус, т.к. при желании на базе этой модели можно создать настоящую модель циклотрона, в которой будет учитываться даже увеличение массы иона от его скорости.

На этом я заканчиваю небольшой обзор моделей из «Живой Физики». При более подробном знакомстве с этим удивительным конструктором вы найдёте в нём отличный учебник по созданию различных моделей и отличную справочную базу данных, причём всё это на русском языке и официально бесплатно. Я могу с уверенностью сказать, что «Живая Физика» является одним из лучших физических конструкторов на сегодняшний день.

В газете «Физика» уже были публикации, связанные с «Живой Физикой». Желающие могут с ними познакомиться в № 4/2004 и 9/2004. Обращаюсь ко всем читателям: давайте сделаем банк моделей, созданных учителями на базе «Живой Физики», – например, на моём сайте www.physics-computer.by.ru.

Продолжение следует