компьютерное моделирование физических процессов

Использование на уроках
физики вычислительных и
лабораторных
экспериментов.
Удаленный доступ
История применения ЭВМ в
физике
•
•
•
•
Для вычислений
Для управления экспериментом
Для организации связи
Для создания обучающих
программ
• Для имитации и моделирования
Вычислительная физика
• Сложные расчётные методы
и компьютерное моделирование физических процессов
появились в 50-х - 60-х годах ХХ века.
• Получили развитие два основных метода
моделирования: динамический и статистический.
• Возникла и получила развитие вычислительная
физика, структурной единицей которой является
вычислительный (компьютерный) эксперимент.
• В физическом образовании методы моделирования и
вычислительные методы начали применяться в 90-х
годах для создания учебного компьютерного
эксперимента.
Учебный компьютерный
эксперимент
В физическом образовании применяется в
трех основных видах:
а) в виде компьютерной демонстрации;
б) в виде виртуальной лабораторной
работы;
в) в виде удаленного реального
физического эксперимента.
Модели в физике
• Роль эксперимента:
1) в науке,
2) в образовании.
• Роль теории: 1) в науке,
2) в образовании.
• Модель как основа физической теории. Модель и
физические законы.
• Физическая модель и компьютер. Возможность
«оживить» модель и визуализировать её.
• Компьютерная модель:
1) в науке,
2) в образовании.
Компьютерная демонстрация
• Зачем нужна физическая демонстрация?
Она позволяет вскрыть внутреннюю
сущность процесса в рамках принятых
теоретических представлений.
• Когда нужна компьютерная физическая
демонстрация?
Реальная демонстрация не может быть
проведена по каким-то причинам
Виртуальная лабораторная
работа
• По методике выполнения похожа на
обычную.
• Позволяет частично сформировать
экспериментаторские навыки.
• Позволяет усилить «модельную»,
теоретическую составляющую обучения.
• Не заменяет, но дополняет обычные
лабораторные работы.
Интерфейс компьютерной
лабораторной работы
• Демонстрационные возможности и
демонстрационное окно. Динамика.
• Окно ввода данных.
• Окна вывода результатов. Результаты в
виде чисел и в графическом виде.
• Панель управления экспериментом.
• Описание хода работы.
Виртуальное и реальное в
учебном компьютерном
эксперименте
• Компьютерные модели должны быть
адекватны реальности.
• Соотношения между виртуальными
величинами должны быть такими же, как
и между реальными.
• Графические объекты на экране должны
вести себя в соответствии с законами
физики.
Методика компьютерной
лабораторной работы
• Фронтальная работа или маршрутизация?
• Предварительный опрос (тестирование).
А при фронтальной?
• Самостоятельность учащихся.
• Виртуальные приборы с ручным управлением.
• Ручная обработка результатов «опытов» (или
компьютерная, но самостоятельная)
• Методика, в целом, может быть оставлена
прежней.
Как создается учебный
компьютерный эксперимент
• Разработка детального сценария
компьютерного эксперимента.
• Выбор расчётного метода
а) Численное решение фундаментальных
уравнений движения методами
молекулярной динамики.
б) Статистический метод Монте-Карло
Пример применения
динамического метода
Закон всемирного тяготения.
Динамический метод
моделирования.
Пример статистического
метода
• Бюффонова задача об игле
• Определить вероятность того , что игла
длиной менее ширины половицы, упав
на пол, пересечет щель между
половицами
Вычисление площади
Примеры виртуальных
лабораторных работ
• Изучение движения тела, брошенного
под углом к горизонту
• Изучение движения законов планет
Эксперимент Бюффона