Научная статья на тему 'Компьютерное моделирование в курсе общей физики технического вуза'

Компьютерное моделирование в курсе общей физики технического вуза Текст научной статьи по специальности «Народное образование. Педагогика»

CC BY
243
44
Поделиться
Ключевые слова
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА / КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Аннотация научной статьи по народному образованию и педагогике, автор научной работы — Демина М.Ю., Демин А.В., Полугрудова Л.С.

Рассматривается работа компьютерных программ, имитирующих лабораторные установки по атомной и ядерной физике, использующиеся в физическом практикуме вузов.

Похожие темы научных работ по народному образованию и педагогике , автор научной работы — Демина М.Ю., Демин А.В., Полугрудова Л.С.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Компьютерное моделирование в курсе общей физики технического вуза»

competence approach, examples of methods of interaction of record keeping and information technology subjects in the training of students entered the definition of the office

of culture and highlighted its components.

Key words: information culture, clerical culture, components, office of culture.

УДК 530.1.004.94

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В КУРСЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО ВУЗА

М.Ю. Демина, А.В. Демин, Л.С. Полугрудова

Сыктывкарский лесной институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова, Россия, Республика Коми, г. Сыктывкар. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Россия, г. Санкт-Петербург. e-mail: mdemina59@mail.ru

Рассматривается работа компьютерных программ, имитирующих лабораторные установки по атомной и ядерной физике, использующиеся в физическом практикуме вузов.

Ключевые слова: физический практикум, компьютерное моделирование, атомная и ядерная физика, квантовая механика.

Физический лабораторный практикум является неотъемлемой частью преподавания курса физики в вузе. При выполнении лабораторных работ студент: 1) получает практические навыки работы с измерительными устройствами и физическими приборами; 2) овладевает методикой физического эксперимента как методом познания физической картины мира. Несомненно учебный эффект от работы с реальными физическими устройствами намного выше, чем результат, полученный от работы на аналогичных виртуальных установках, создаваемых с помощью современных компьютерных программ и технологий. Однако в ряде разделов курса физики, таких как атомная и ядерная физика, квантовая механика, физика элементарных частиц, очевидна значительная стоимость приобретения и содержания лабораторного оборудования [1-2]. В этой ситуации компьютерное моделирование представляется выходом, позволяющим, с одной стороны, организовать физический практикум по данным разделам при разумных затратах для вуза, с другой - создает возможность наглядного представления явлений, происходящих в микромире [3-4].

На кафедре физики Сыктывкарского лесного института созданы и используются в физическом практикуме лабораторные работы по атомной и ядерной физике с применением компьютерного моделирования: «Опыт Франка и Герца» [5], «Определение коэффициента поглощения (3-, у-лучей веществом» [6]

и «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» [7], «Определение размеров атомных ядер» [8], «Исследование дифракции микрочастиц на отверстии» [9].

Программа для работы «Опыт Франка и Герца» моделирует процесс бомбардировки атомов ртути потоком электронов заданной энергии. В программе создан интерфейс упрощенной схемы экспериментальной установки классического опыта Д. Франка и Г. Герца (рис. 1), подтверждающего дискретность энергетических уровней атомов. Для изображения некоторых деталей (реостат) использовались обработанные фотографии реальных приборов.

Рис. 1. Интерфейс экспериментальной установки для опыта Франка и Герца

Изменение напряжения между катодом и сеткой осуществляют перемещением ползунка на полосе прокрутки рядом с реостатом. Визуально это приводит к перемещению

подвижного контакта реостата. Значения электрического тока и напряжения введены в программу на основе экспериментальных данных, полученных Франком и Герцем, и отражаются около линий, имитирующих стрелки измерительных приборов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При достижении критических потенциалов возбуждения ртути происходит резкое падение анодного тока, визуально это отражается вспышкой. Вспышка не является реальным отражением эксперимента, а показывает, что достигнут экстремум функции 1(и). В программе параллельно с выполнением опыта в отдельном окне записываются значения тока и напряжения и строится график зависимости 1(и) (рис. 2), по которому определяются потенциалы возбуждения атома ртути.

— И^хоГ^ 1,14 0.01« .1 о]|->Ц .12 0.1«

/ .7 0,277 0.318 ,31 о.л? .17 0.?17 .29 О.М7 .41 0.5«

а—| а--...1е --------- И*™* ■О? 0.5В5 Л.77 0.615 „О ОА** ;!1р1 л - -г- О в •

Рис. 2. Зависимость анодного тока I (А) от потенциала сетки и(В)

Графический модуль программ в работах «Определение коэффициента поглощения Р-, у-лучей веществом» и «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» моделирует установки, имитирующие работу счетчика элементарных частиц.

При загрузке исполняемого файла в рабочем окне появляется изображение свинцового «домика», таймера и регистрирующего устройства, выполняется имитация установки радиоактивного препарата в свинцовый «домик».

Внутреннее устройство свинцового «домика» соответствует реальным экспериментальным установкам, применяемым в ядерной физике, и может быть просмотрено при нажатии кнопки «Схема установки» (рис. 3).

Рис. 3. Внутреннее устройство свинцового «домика» Интерфейс рабочего окна создан таким образом, что клик левой кнопкой мыши визуально отражает «включение» и «выключение» кнопок: «Сеть», «Сброс», «Пуск», «Стоп» (рис. 4). Нажатием кнопки «Сеть» включаются таймер и счетчик. Кнопка «Пуск» запускает рабочий режим счетчика, кнопка «Стоп» останавливает работу счетчика и кнопка «Сброс» обнуляет его показания.

Рис. 4. Виртуальная установка для регистрации радиационных излучений

Расчетная часть программы в работе «Определение коэффициента поглощения (3-, -лучей веществом» позволяет выбирать материал и толщину пластинки, поглощающей радиоактивное излучение. Количество частиц, зарегистрированных счетчиком, моделируется в соответствии с законом поглощения излучения веществом, поэтому показания счетчика зависят от материала и толщины пластинки, поставленной между препаратом и счетчиком.

Программа предусматривает применение следующих поглощающих материалов: свинец, алюминий и медь. По полученным значениям вычисляются коэффициенты поглощения материалами Р- и у-лучей и выполняется их сравнение. В результате выполнения

работы определяется вещество, наиболее эффективно поглощающее Р-, у-лучи.

В работе «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» моделируется явление радиоактивного распада.

В расчетной части программы заданы характеристики семи радиоактивных изотопов. Изотопы подобраны таким образом, чтобы период полураспада был сопоставим со временем наблюдения. Программа позволяет выбирать для опыта радиоактивный изотоп и задавать массу образца в интервале 0,01-1,0 мг.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В программе предусмотрены два разных режима счета. В первом режиме работы в течение приблизительно 15 мин количество распадающихся ядер регистрируется каждую минуту.

В действительности, устройство счетчиков ионизирующих излучений требует некоторого промежутка времени для восстановления способности среды к газовому разряду. Второй режим работы более реально отражает работу ионизационных счетчиков. В этом случае счетчик регистрирует импульсы в течение 1-й минуты; затем он выключается (таймер продолжает работать), показания счетчика обнуляются. Счетчик снова включают с началом 3-й минуты и т.д. Таким образом, чередуется минута работы счетчика с минутой отдыха.

После выполнения экспериментальной части работы определяется скорость распада и методом наименьших квадратов постоянная распада химического элемента. Вычисляется период полураспада данного радиоактивного элемента, и полученное значение сравнивается с табличным значением периода полураспада этого элемента.

В лабораторной работе «Определение размеров атомных ядер» создан интерфейс экспериментальной установки, имитирующей бомбардировку пластинки быстрыми нейтронами (рис. 5).

Выберите материал

А=195 г/моль |®Ч

р= 21,4 г/ст"3 ®Па„

10= 72«

1= 1722 |а*МСШГа|

|<ы Э (экс) = . . . ф Теория

Ь= 12

В В^ОД

Рис. 5. Рабочее окно программы по определению размеров атомных ядер

Представленная программа позволяет рассчитать радиус атомного ядра химического элемента по поглощению быстрых нейтронов данным веществом и проверить правильность соотношения между атомной массой и радиусом ядра. Выбирается материал и толщина мишени. Толщина мишени выбирается таким образом, чтобы ослабление нейтронного потока было заметным, но не слишком большим, так как шумы детектора мешают регистрации малых нейтронных потоков. Программа позволяет задавать толщину мишени от 10 до 50 см. Измеряется число нейтронов, испускаемых источником 10, и поток нейтронов, зарегистрированных детектором I. Длительность облучения определяется необходимостью набрать достаточное количество зарегистрированных детектором нейтронов, поскольку статистическая ошибка пропорциональна VI. Измерения выполняются для разных материалов мишени. Далее вычисляется эффективное сечение и радиус ядра. Методом наименьших квадратов строится график зависимости 1п Я = f (1п А). Определяется коэффициент наклона графика к оси абсцисс и сравнивается с теоретическим значением.

Моделирующий эксперимент в работе по дифракции микрочастиц проводится на виртуальной установке (рис. 6), представляющей систему счетчиков, регистрирующих электроны, прошедшие отверстие (щель).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

UJDif^vLO M-pfM

$ Счетам Ю 7 Счетчиц 8

2 Счал» S 1S Сим«}

Источи» частш! S7 СЧИЧМЗ

■ 1М Сч*гчиН

moo I I is

Начать эмпернмеит стоп СОРОС

Рис. 6. Рабочее окно программы по дифракции электронов

Счетчики установлены на одинаковом расстоянии от щели с равными угловыми интервалами в диапазоне от 0 до 300. Вероятность попадания электрона в конкретный счетчик пропорциональна волновой функции частицы. При работе программы производится подсчет числа срабатываний счетчиков. Число частиц, участвующих в эксперименте, задается произвольно.

Технические требования для выполнения представленных лабораторных работ минимальны. Работы проводятся на компьютере с операционной системой Windows98 и выше, никаких специальных требований к программному обеспечению не предъявляется. Объем оперативной памяти в работах «Определение коэффициента поглощения Р-, -лучей веществом» и «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» не превышает 400 Кбайт, в работе «Опыт Франка и Герца» - 4 Мбайт.

Для создания компьютерных программ по физическим лабораторным работам и физическому эксперименту привлекаются студенты Сыктывкарского лесного института специальности «Информационные системы в лесном комплексе». Подобная практика усиливает интерес к предмету, повышает мотивацию обучения, расширяет взаимосвязь изучаемой дисциплины с приобретаемыми профессиональными навыками студента.

В зависимости от компьютерного обеспечения учебного заведения лабораторные работы могут выполняться студентами индивидуально в качестве текущей работы физ-практикума, а также фронтально группой студентов в компьютерном классе. Подобный комплекс лабораторных работ позволяет студентам не только закрепить знания, полу-

ченные на лекциях, но и провести самостоятельно эксперименты, получившие название

ключевых экспериментов ХХ в.

Литература

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Бутиков Е.И. Компьютерное моделирование в преподавании физики // Физическое образование в вузах. 1996. № 1. С. 35-38.

2. Тихомиров Ю.В. Универсальный лабораторный практикум по курсу физики на основе компьютерных моделей // Открытое образование. 2004. № 3. С. 17-26.

3. Ларионов В.В., Пичугин Д.В. Академические инновационные университеты в системе открытого образования: дидактические проблемы физического практикума // Открытое образование. 2005. № 3. С. 4-10.

4. Демина М.Ю., Полугрудова Л.С. Некоторые аспекты применения компьютерных технологий в физическом практикуме вуза // Новые информационные технологии в образовании «НИТ0-2009»: тезисы докл. Междунар. науч.-практ. конф. Екатеринбург, 24-27 фев. 2009 г. Екатеринбург, 2009. Ч. 1. С. 71-72.

5. Полугрудова Л.С., Илюшенко Е.В. Методические указания к лабораторной работе по физике «Опыт Франка и Герца». Сыктывкар, 2006. 8 с.

6. Демина М.Ю., Ванеев А.В., Столыпко В.А. Лабораторная работа по физике «Определение коэффициента поглощения бета- и гамма-лучей веществом» с применением компьютерного моделирования // ВНТИЦ. 2003. № 50200300889.

7. Демина М.Ю., Ванеев А.В., Столыпко В.А. Лабораторная работа по физике «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» с применением компьютерного моделирования // ВНТИЦ. 2003. № 50200300890.

8. Демина М.Ю., Полугрудова Л.С., Тутринов В.А. Лабораторная работа по физике «Определение размеров атомных ядер» с применением компьютерного моделирования // ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий». 2008. №50200801674.

9. Демин А.В., Демина М.Ю., Полугрудова Л.С. Лабораторная работа по физике «Исследование дифракции микрочастиц на отверстии» с применением компьютерного моделирования // ФГНУ «Государственный координационный центр информационных технологий». 2010. № 50201000400.

References

1. Butikov E.I. Komp'yuternoe modelirovanie v prepodavanii fiziki // Fizicheskoe obrazovanie v Vuzah. 1996. № 1. S. 35-38.

2. Tihomirov Yu.V. Universal'nyj laboratornyj praktikum po kursu fiziki na osnove komp'yu-ternyh modeley // Otkrytoe obrazovanie. 2004. № 3. S. 17-26.

3. Larionov V.V., Pichugin D.V. Akademicheskie innovatsionnye universitety v sisteme otkrytogo obrazovaniya: didakticheskie problemy fiziche-skogo praktikuma // Otkrytoe obrazovanie. 2005. № 3. S. 4-10.

4. Demina M.Yu., Polugrudova L.S. Nekotorye aspekty primeneniya komp'yuternyh tehnologiy v fizicheskom praktikume vuza // Novye informatsionnye tehnologii v obrazovanii «NITO-2009»: tezisy dokl. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Ekaterinburg, 24-27 fev. 2009 g. Ekaterinburg, 2009. Ch. 1. S.71-72.

5. Polugrudova L.S., Ilyushenko E.V. Metodiche-skie ukazaniya k laboratornoy rabote po fizike «Opyt Franka i Gertsa». Syktyvkar, 2006. 8 s.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Demina M.Yu., Vaneev A.V., Stolypko V.A. Laboratornaya rabota po fizike «Opredelenie koeffitsienta pogloscheniya beta- i gamma-luchey veschestvom» s primeneniem komp'yu-ternogo modelirovaniya // VNTITs 2003. № 50200300889.

7. Demina M.Yu., Vaneev A.V., Stolypko V.A. Laboratornaya rabota po fizike «Opredelenie

perioda poluraspada i postoyannoy raspada himicheskogo elementa» s primeneniem

komp'yutemogo modelirovaniya // VNTITs 003. № 50200300890.

8. Demina M.Yu., Polugrudova L.S., Tutrinov V.A. Laboratornaya rabota po fizike «Opredelenie razmerov atomnyh yader» s primeneniem komp'yuternogo modelirovaniya // FGNU «Go-sudarstvennyj koordinatsionnyj tsentr informa-tsionnyh tehnologiy» 2008. №50200801674.

9. Demin A.V., Demina M.Yu., Polugrudova L.S. Laboratornaya rabota po fizike «Issledovanie difraktsii mikrochastits na otverstii» s primeneniem komp'yuternogo modelirovaniya // FGNU «Gosudarstvennyj koordinatsionnyj tsentr informatsionnyh tehnologiy» 2010. № 50201000400.

COMPUTER SIMULATION IN GENERAL PHYSICS COURSE TECHNICAL COLLEGE

M.Yu. Demina, A.V. Demin, L.S. Polugrudova

Syktyvkar Forest Institute (Branch), St. Petersburg State Forestry University Kirov, Russia, Komi Republic, Syktyvkar.

St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Russia, St. Petersburg. e-mail: mdemina59@mail.ru

Examines the work of computer programs that simulate laboratory facilities for atomic and nuclear physics used in the physical laboratory schools.

Key words: physical workshop, computer simulation, atomic and nuclear physics, quantum mechanics.

УДК 004.928

АНИМАЦИОННЫЕ ПРОГРАММЫ В КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ГУМАНИТАРНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Р.Б. Кончаков, М.Ю. Сидляр

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина, Россия, г. Тамбов. e-mail: mihailsidlyar@gmail.com

Описывается учебный модуль «Анимация» предмета «Информатика» и «Новые информационные технологии». Рассматриваются среды для создания мультимедийного контента: Scratch, Powtoon и Animatron. В статье подробно рассматривается работа студентов в среде Scratch по созданию проекта «Живые карты» для описания военных сражений.

Ключевые слова: анимация, обучение студентов, информатика, Scratch, Powtoon, Animatron.

Анимационный контент является одним из зрелищных элементов наполнения сети Интернет, где он используется прежде всего в рекламе и индустрии развлечений, менее в качестве технологии для инфографики. Новым и привлекающим внимание междисциплинарных специалистов является направле-

ние web-documentary, представляющее симбиоз интерактивной анимации и мультимедиа. Применение анимации оправданно и в образовательных ресурсах, связанных с гуманитарной тематикой. Однако создание компьютерной анимации требует специальных навыков и знания профильного про-