Эксперимент
Л. В.
Пигалицын,
< levp@rambler.ru >, www.levpi.narod.ru, МОУ СОШ № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.
Компьютерный физический эксперимент
Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9, 11/2009
7. Компьютерные физические конструкторы
На мой взгляд, эта категория компьютерного физического эксперимента наиболее значима для учителей, заинтересованных во внедрении компьютерных образовательных технологий в преподавание физики. Дело в том, что при использовании готовых компьютерных экспериментов (демонстрационного, моделирующего, графического, вычислительного) учителя всегда что-то не устраивает. Но изменить ничего нельзя, т.к. все предлагаемые программы, как говорят программисты, «с закрытым кодом». А вот физические конструкторы, о которых пойдёт речь ниже, свободны от этого недостатка, они позволяют моделировать различные физические процессы и, что самое главное, встраивать эти модели в собственную методику преподавания и привлекать к их созданию учащихся.
На данный момент разработано сравнительно много физических конструкторов. Одни позволяют моделировать только механические процессы и явления, другие – электрические, третьи – оптические и т.д. Есть универсальные конструкторы, которые охватывают практически всю школьную физику.
7.1. Механические конструкторы
Начнём с программы «Универсальный Механизм-Юниор». С её помощью в зависимости от интересов и знаний учителя и учащихся в области механики можно создавать модели различной сложности – от игрушки до научного прибора. Программа позволяет легко описывать системы тел и исследовать её. Простейшие примеры – математический маятник и тело, свободно падающее под действием силы тяжести. Более сложными примерами являются двойной математический маятник (второй груз прикреплён к первому, см. рисунок) и груз на пружине. Сложные системы могут включать десятки и даже сотни тел, шарниров и силовых элементов. Солнечная система, автомобиль и локомотив могут также рассматриваться как механические системы.
Программа «Универсальный Механизм-Юниор» является сильно упрощённой версией системы «Универсальный Механизм». В ней, например, нельзя исследовать пространственные механизмы, зато можно достаточно полно исследовать кинематику и динамику плоских механизмов. Преимущество упрощённой версии – в простоте и наглядности процедуры описания механизмов и возможность немедленного получения как числовых результатов, так и анимационного представления движения. Отсутствуют ограничения на характер действующих сил, число тел и замкнутых кинематических цепей, на класс механизма.
Программа рассчитана на пользователей различного возраста и различной подготовки. В зависимости от введённого ключа с ней могут работать школьники младших классов, старшеклассники, студенты и даже инженеры.
Для школьников младших классов, которые ещё не знакомы с физикой, программа может служить просто игрушкой, с помощью которой школьники легко собирают механические модели и получают очень занимательные движения. Работа с программой в этом случае напоминает игру с детским конструктором, когда из кубиков собирается то или иное сооружение. собранные модели движутся в соответствии с законами физики, которые школьник начнёт изучать в школе, а потом продолжит в институте, если захочет быть инженером или учёным-механиком.
Для школьников старших классов, которые изучили некоторые простейшие законы механики в курсе физики и знают, что такое сила, координата, скорость, ускорение, программа поможет исследовать движения механизмов или планет, поскольку они описываются сложными – дифференциальными – уравнениями, с которыми школьник может познакомиться только в институте. Программа-конструктор восполняет этот пробел, т.к. берёт на себя всю математическую часть построения и решения уравнений. Чтобы получить движение, школьнику надо лишь грамотно собрать механизм (или другую механическую систему, например, Солнечную) и правильно описать силы, с которыми тела действуют друг на друга. Работа с программой поможет школьникам в изучении законов физики, поскольку она позволяет очень легко сконструировать как простой механизм (например, математический маятник), так и более сложный (например, механизм двигателя внутреннего сгорания). Но можно и поиграть с программой, собирая такие сложные объекты, что их затруднится описать даже инженер.
Очень много возможностей для создания и исследования различных механизмов и механических систем предоставляется для студентов и инженеров.
Программа бесплатная, русскоязычная, имеет хорошее руководство, примеры и обучающую программу «Первые уроки». Скачать программу из интернета можно так: наберите в любой поисковой системе «Universal Mexanism Junior», – вам будет предложено несколько сайтов, на которых находится эта программа. Я рекомендую скачать версию 1.0.
Итак, вы скачали программу. Давайте запустим её. На экране появится рабочий стол конструктора. В верхней части рабочего стола расположено меню с различными операциями, а ниже расположены тела, инструменты, библиотеки сил и моментов сил, прилагаемых к различным частям собираемых конструкций.
Кнопка с изображением кинокамеры позволяет запускать и останавливать работу собранной конструкции. Кнопки со стрелками позволяют перемещать конструкцию по рабочему столу и изменять масштаб изображения.
• Физический маятник. Работу с конструктором начнём с создания физического маятника. Выберите пункт Маятник меню Тела – на рабочем столе появится маятник. Расположите его в нужном месте с необходимыми координатами при помощи мыши, примерно так, как показано на рисунке, и кликните один раз левой кнопкой мыши. Чтобы маятник совершал колебания, соедините его вращательным шарниром со стеной: добавьте этот шарнир в поле конструктора (выберите пункт Вращательный в меню Шарниры) и соедините два тела (выделите каждое тело и точку на нём, в которой будет ось шарнира).
Пусть первым телом будет стена (или неподвижная внешняя среда) – сплошной синий фон. Назначить стену в качестве первого тела означает поместить курсор мыши так, чтобы маятник не был выделен (т.е. имел бы жёлтый контур), и нажать левую кнопку мыши в том месте, где на рисунке показан первый щелчок. Затем надо указать точку на стене, в которой будет находиться ось шарнира. Нажмите левую кнопку мыши в том месте, где показан второй щелчок, – вы описали первое тело в шарнире. Выполните то же самое для второго тела: нажмите левую кнопку мыши на маятнике (третий щелчок – выбор второго тела) и укажите положение оси колебаний (четвёртый щелчок – это может быть точка вне пределов самого маятника, но обычно её располагают в центре верхнего колечка). Теперь выделите маятник (водите мышью около него, пока цвет контура не изменится с жёлтого на красный), и дважды щёлкните левой кнопкой мыши.
На рабочем столе появится панель «Параметры маятника», введите все параметры маятника: массу, длину, радиусы колец, координаты х и у, угол максимального отклонения, начальную скорость и направление вектора начальной скорости.
Теперь сделайте пробный запуск маятника. Нажмите кнопку Применить с изображением видеокамеры – маятник начнёт качаться. Колебания будут незатухающими, т.к. мы не вводили коэффициент затухания. Примерный результат показан на скриншоте ниже.
Чтобы на рабочем столе синхронно с картинкой колебаний выводился их график, необходимо выбрать Новое окно с графиками в меню Опции. На рабочем столе появится панель Показ графиков. Выберем на этой панели операцию «Разметка осей координат и выбор графических переменных».
На рабочем столе появится небольшая вспомогательная панель «Выбор графических переменных». Введите в неё выбранные вами диапазоны х, у, переменные, тело, горизонтальную ось и цвет линии графика.
После запуска на рабочем столе будет колебаться маятник, а рядом будет находиться графическая панель с синхронным графиком его колебаний.
Если ввести в программу тормозящую силу или тормозящий момент (например, момент сил сопротивления при жидком трении в модели хорошо смазанного шарнира), то получим затухающие колебания, при этом можно вывести ещё и фазовую диаграмму.
Изменяя параметры маятника, можно провести учебные исследования по проверке законов колебаний как математического, так и физического маятников.
• Движение свободного тела под действием силы тяжести. Откройте меню Файл. Выберите опцию Открыть. В появившемся окне будет папка Examples. Загрузите из неё файл example0.usf. Сразу после открытия файла слева на рабочем столе вы увидите анимацию движения тела, брошенного под углом к горизонту. Тело будет двигаться по параболической траектории. В правом окне вы увидите график траектории центра масс данного тела.
На базе этой модели можно исследовать все виды движений под действием силы тяжести: свободное падение без начальной скорости, движение тела, брошенного вертикально вверх, горизонтально и под углом к горизонту, причём как положительным, так и отрицательным. Кроме того, можно вводить ускоряющую и тормозящую силы, действующие на тела, в частности, исследовать движение тела в вязкой среде. Эта программа при умелом использовании может явиться хорошим подспорьем при изучении движения тел под действием силы тяжести.
Наряду с графиком координаты можно вывести на экран график скорости и графики нормального и тангенциальных ускорений.
• Колебания связанных маятников. Эта задача представляет интерес для исследования процесса обмена энергией двух маятников. Загрузите файл example3.usf из папки Examples. На рабочем столе будут изображены два маятника, оси которых находятся на концах рычага. Трение во всех осях отсутствует. Внизу расположены два графика. На левом графике строится зависимость амплитуды колебаний от времени для левого маятника, на правом – для правого.
Сразу после открытия файла слева на рабочем столе вы увидите анимацию колебательного движения правого маятника, левый маятник покоится. На графиках зависимости амплитуды колебаний от времени видно, что у правого маятника амплитуда колебаний максимальна, а у левого равна нулю. Но через некоторое время амплитуда колебаний правого маятника начнёт уменьшаться, а левого – увеличиваться, т.е. энергия будет «перетекать» от правого маятника к левому. Через некоторое время амплитуда колебаний левого маятника станет максимальной, а правый будет покоиться. Потом пойдёт обратный процесс, что хорошо прослеживается на графиках. Модель является хорошей иллюстрацией передачи энергии при колебательном движении связанных маятников.
Её можно усовершенствовать: на рычаге уравновешиваются несколько маятников разной длины и строятся синхронные графики для всех маятников. Если у двух маятников – «ведущего» и «ведомого» – будут одинаковые параметры, то наступит явление резонанса. Школьникам можно предложить несколько эвристических проектов с использованием этой модели.
Не менее интересны и другие модели. Например, модель, иллюстрирующая колебания двойного маятника, когда ось колебаний второго маятника находится в центре масс первого. Рассчитать колебания такого маятника очень сложно, а модель позволяет познакомиться с таким видом колебаний. Более того, эту модель сможет сконструировать каждый школьник и сравнить реальный эксперимент с модельным.
В этом конструкторе можно смоделировать колебания пружинных маятников и совмещённых «пружинно-математических».
При изучении темы «Атмосферное давление» в 7-м классе можно создавать модели насосов, тормозной системы автомобиля и различных гидравлических машин. При изучении тепловых двигателей в теме «Термодинамика» можно конструировать различные узлы этих двигателей и сами двигатели.
Итак, мы рассмотрели некоторые возможности одного из механических конструкторов, позволяющего создать самые разнообразные «действующие» модели физических и технических устройств. В целом возможности данного конструктора, особенно в полной версии, поистине безграничны и позволят учителю углублять знания по физике и развивать творческие способности учащихся.
Если читатели создадут в этом конструкторе свои оригинальные модели и разработают методику применения их на уроках или внеклассных занятиях по физике, то пусть пришлют их мне, и после прохождения экспертизы они могут быть опубликованы на страницах газеты «Физика».