CC BY
76
106
А.В. Пец
УДК 51 (07): 004.94
А.В. Пец
ТЕХНОЛОГИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ КАК РЕСУРС РАЗВИТИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА
Приведены примеры использования виртуальных сред в учебном практикуме по физике. Предложено использовать технологию виртуальных приборов для организации проблемно-развивающего обучения физико-математическим наукам.
Examples of use of virtual layers in an educational practical work on physics are description. It is offered to use technology of virtual instruments for the organization of developing training to physical and mathematical sciences.
Термин «виртуальность» был введен в физику более двухсот лет назад. Принцип виртуальных перемещений рассматривал мысленные, но реально возможные смещения частей механической системы.
В конце ХХ века возникло понятие «виртуальная реальность», обозначающее искусственный мир, созданный с помощью компьютерных технологий (киберпространство). В отличие от компьютерных анимаций, человек может быть погружен в виртуальное пространство, оказывая активное воздействие на ход событий в нем.
В настоящее время технологии виртуальной реальности проникают в различные области науки и техники. Проектирование, производство и маркетинг, медицина и обучение — далеко не полный список перспективных сфер приложения технологий виртуальной реальности. В ряде случаев имитационное моделирование является единственным доступом к информации о свойствах объекта.
В образовательной деятельности компьютерные технологии чаще всего рассматриваются как средство для формирования больших баз данных и доступа к ним. Контроль степени освоения предмета проводится на уровне тестов с выбором варианта ответа. Мультимедиа создает иллюзию наблюдения явления. Особенно это проявляется в системах дистанционного обучения.
Достигнутые за последнее десятилетие рост производительности вычислительных систем и снижение их себестоимости открыли новые подходы к использованию компьютеров как в технике, так и в образовании. Например, в любительской и профессиональной практике компьютер стал использоваться как измерительный прибор. Достаточно иметь звуковую карту, чтобы программным путем превратить компьютер в осциллограф или генератор сигналов сложной формы.
Одним из пионеров и лидером в разработке технологии виртуальных приборов является компания National Instruments [1]. Компания активно внедряется в образовательные и научно-технические рынки России. Созданная компанией среда графического программирования LabVIEW является мощным средством визуализации и преобразования потоков сигналов различного типа.
Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 106 — 109.
Виртуальные приборы как ресурс развития физпрактикума
В данной работе представлены два примера использования виртуальных сред в физическом практикуме. Отметим, что внедрение в образовательную сферу технологий виртуальной реальности способствует формированию информационно-компьютерной готовности студентов [2].
Первый пример посвящен применению методов компьютерного моделирования [3] в курсе атомной физики. В программу по атомной физике входит изучение эффекта Комптона. Теория объясняет явление упругим рассеянием фотонов свободными электронами. Эффект Комптона важен для основ квантовой теории [4], так как является одним из прямых экспериментальных доказательств выполнения в микромире законов сохранения энергии и импульса. Демонстрация явления в условиях учебной лаборатории, технически затруднена. Однако определенную пользу может принести компьютерная модель, использующая средства динамической графики. Моделируемая экспериментальная обстановка выглядит следующим образом. Камера Вильсона, помещенная в постоянное магнитное поле с индукцией В, облучается слабоинтенсивным пучком монохроматических коротковолновых фотонов с длиной волны А. В камере фотоны попадают на мишень и рассеиваются свободными электронами. Если такое событие произошло, то наряду с рассеянным фотоном из вещества мишени выбивается электрон отдачи. Фотоны не ионизируют воздух, и поэтому след в камере Вильсона оставляют только электроны отдачи. Фотодетекторы позволяют зарегистрировать рассеянный: фотон и определить его длину волны А'. Подчеркнем, что при такой схеме опыта угол рассеяния фотона не известен.
На экран выводится изображение треков электронов отдачи, масштабная метка и результаты определения детекторами длины волны А' рассеянного фотона. Программная модель процессов учитывает вероятность попадания фотона на мишень, вероятность рассеяния фотона на электроне и вносит погрешность в результат вычисления А'.
Перед проведением опытов задают А, В и коэффициент увеличения изображения траекторий электронов. По сценарию в камеру Вильсона попадают отдельные фотоны. Регистрации электрона отдачи может и не произойти. Поэтому необходимо в ходе проведения эксперимента набрать ста-тисгику положительных событий. Значения А и В при этом не меняют.
Изображения треков по окончании эксперимента распечатывают на принтере. Пример показан на рисунке 1.
Порядок обработки полученных данных состоит в следующем. По радиусу R трека электрона отдачи определяют его импульс p = eBR и кинетическую энергию T = 2 + m2c2 - mc2,
где с — скорость света, е — элементарный заряд, т — масса покоя электрона. Затем строится график зависимости T от обратной длины волны рассеянного фотона. Из законов сохране- Рис. 1. Треки электронов
ния следует, что эта зависимость долж- на экране монитора
107
108
А.В. Пец
на быть линейной. Обработка графика методом наименьших квадратов позволяет оценить значение постоянной Планка.
Отметим возникающие в рассмотренном случае особенности изучения физического явления: 1) учащийся индивидуально знакомится с одним из ключевых экспериментов физики [3]; 2) он имеет возможность варьировать условия проведения опытов в виртуальной среде; 3) он может наблюдать действие магнитного поля на заряженную частицу и исследовать влияние на траекторию частицы величины магнитного поля.
Последний пункт является одной из форм проявления дидактического принципа межпредметных знаний, который обязательно надо учитывать при планировании содержания лабораторного практикума. Кроме того, введение в модель вероятностных характеристик явления делает целесообразным проведение статистического анализа результатов виртуального эксперимента для сопоставления с теорией.
Технологии NI LabVIEW позволяют существенно расширить возможности физического практикума путем организации удаленного доступа компьютера к реальным измерительными датчиками. Примером такого рода является разработанная нами лабораторная работа по изучению колебаний физического маятника.
Маятник представлял собой тяжелый металлический: шар, подвешенный на легком жестком стержне длиной около 10 см. Лабораторная установка позволяла исследовать спектр и форму свободных колебаний маятника в вертикальной плоскости. В качестве датчика угла поворота маятника использовали оптопару и аналого-цифровой преобразователь манипулятора «мышь», подключенный к свободному RS-232 порту компьютера.
Блок-диаграмма виртуального прибора, созданного средствами графического языгка программирования LabVIEW, выгполняла следующие операции. Вначале происходила инициализация используемого сот-порта. Затем специально разработанный subVI реализовывал протокол чтения данных, поступающих из порта, и формировал сигнал о величине и знаке угловой скорости колебаний маятника. В цикле While Loop происходило сложение угловых скоростей, и сигнал об угле поворота маятника поступал в режиме реального времени на вход виртуального осциллографа. По достижении заданного числа измерений массив выборки направлялся из цикла на обработку в виртуальный анализатор спектра Power Spectrum из палитры Funcnions/ Analysis. Затем выгполнение цикла возобновлялось. Лицевая панель виртуального измерительного прибора изображена на рисунке 2.
Спектр получен при шаге дискретизации по времени, равном 50 мс. Колебания маятника быпли затухающими и при отклонении на угол 45° прекращались приблизительно через 90 с. Этот недостаток механической конструкции установки позволил наблюдать интересное явление: рост частоты колебаний по мере уменьшения амплитуды. Для идеального физического маятника эффект описывается эллиптическим интегралом 1-го
рода К(р) [5]: f =--, p = sin2(a / 2), где а — угловая амплитуда. На-
2 K(p)
блюдаемая зависимость (показана на рис. 3 сплошной линией) только качественно согласуется с этой формулой (пунктирная линия).
Виртуальные приборы как ресурс развития физпрактикума
Число тиек выборки |™
спектральная плотность
Рис. 2. Вид лицевой панели виртуального прибора
0,96
/0.92
Л °'88
0,84
0,8
0,02
0,04
0,06
0,08
0.1
0,12
0,14
Рис. 3. Зависимость относительной частоты от угловой интенсивности колебаний
Таким образом, технология виртуальных приборов расширяет возможности лабораторного практикума, вносит элементы исследовательского подхода к изучению физико-математических наук, позволяет организовать процесс проблемно-развивающего обучения.
Автор благодарит проф. Г.А. Бокареву за конструктивные замечания по работе.
Список литературы
1. Измерения и автоматизация. Каталог 2005. National Instruments. Ni. com/russia
2. Бокарева Г.А., Семенова А.П. Готовность морских специалистов к деятельности в профессиональных компьютерных средах (опыт дидактического исследования): Монография. Калининград: БГА РФ, 2004.
3. Гилд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. Ч. 1, 2. М.: Мир, 1990.
4. Тригг Дж. Физика ХХ века: ключевые эксперименты. М.: Мир, 1978.
5. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абровица, И. Сти-ган. М.: Наука, 1979.
Об авторе
А.В. Пец — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, [email protected].
109
