Виртуальные лабораторные работы

В настоящее время особое внимание уделяется комплексной модернизации образования, внедрению в образовательный процесс новых информационных технологий. Одной из таких информационных технологий является использование виртуальных лабораторных работ. Виртуальные лабораторные работы по физике позволяют сделать практические занятия более живыми и интересными, повышая при этом качество образования.

Особенностью подхода, который пропагандирует компания VisualMathStart, является то, что ученикам и учителю предлагается проводить именно опыт, экспериментальное исследование, а не просматривать запрограммированную по простой формуле анимацию. В науке такие виртуальные опыты (опыты в полном смысле этого слова) называются вычислительными экспериментами.

Вычислительными экспериментами занимаются научно-исследовательские институты, без них не могут обойтись высокотехнологичные производства, такие как авиастроение, автомобилестроение, ракетостроение и т.д. Математические модели и современные методы вычислительной математики позволяют максимально приблизить вычислительные эксперименты к натурным лабораторным опытам. Это в свою очередь позволяет предсказывать с высокой степенью точности те или иные физические явления, не проводя для этого дорогостоящих реальных физических экспериментов.

Использование пакета StartFlow нацелено на такие разделы школьной программы по физике, как молекулярная физика, термодинамика, механические волны, звук, течения жидкостей и газов. Как раз эти разделы физики трудно проиллюстрировать наглядными физическими опытами. Компьютерное моделирование в этом случае позволяет ученикам заглянуть в глубь самых интересных физических процессов.
 

В качестве примера приведем несколько виртуальных лабораторных работ с использованием пакета StartFlow.

 

1 Моделирование дозвуковых и сверхзвуковых течений

Когда мы говорим о нетривиальности и отсутствии интуитивного понимания процессов молекулярной физики, то прежде всего стоит отметить процессы, протекающие при трансзвуковых течениях. В обычную школьную программу по физике сверхзвуковые течения не входят, хотя эти явления ближе всего к молекулярной физике.
Как известно, закономерности, реализующиеся при сверхзвуковых и трансзвуковых течениях совершенно отличаются от закономерностей дозвуковых течений. В качестве примера рассмотрим истечение горячего газа из форсунки. На пути струи газа установлена перегородка.
Посмотрим сначала на картину течения дозвуковой струи (газ из форсунки истекает со скоростью 160 м/с). В видеоролике показана температура дозвуковой струи (цветовая шкала от 288 до 3000 К).

А теперь посмотрим на картину течения сверхзвуковой струи, которая генерируется резким повышением давления в канале перед форсункой. В видеоролике показана температура сверхзвуковой струи (цветовая шкала от 288 до 3000 К).
Из видеороликов видно, что картины течений при сверхзвуке и дозвуке принципиально отличаются друг от друга.

 

Сверхзвуковое течение в нашем случае сопровождается ударными волнами и скачками уплотнения, действие которых обнаруживается
при просмотре эволюции полей давления, плотности и модуля  скорости.
Ниже приведены следующие видеоролики эволюции разных газодинамических параметров (давления, плотности и скорости) при сверхзвуковом истечении газа из форсунки.

Эволюция поля давления (цветовая шкала от 0,5 до 10,8 атм):

Эволюция поля плотности (цветовая шкала от 0,17 до 4,06 кг/мЗ):

Эволюция поля модуля скорости (цветовая шкала от 0 до 2200 м/с):

Все газодинамические параметры (давление, температура, плотность, скорость) связаны между собой. Иногда для большей наглядности и проведения анализа удобно накладывать на изообласти одного поля газодинамического параметра изолинии поля другого параметра. Такое наложение иногда дает более четкое понимание взаимосвязи газодинамических параметров.
Ниже приведены ролики эволюции наложенных друг на друга газодинамических параметров.

Изообласти давления (0,5 - 10,8 атм) и изолинии температуры (288 - 3000 К):

Изообласти давления (0,5 - 10,8 атм) и изолинии модуля скорости (0 - 2100 м/с):

Изообласти давления (0,5 - 10,8 атм) и вектора скорости:

 

2 Моделирование охлаждения предметов

 

Холодная струя воздуха охлаждает нагретый круг. На ниже приведенном ролике показана эволюция поля температуры. Как видно из ролика, область высокой температуры расходится от круга двумя рукавами. Это обусловлено образованием за кругом области возвратного течения.

На данном видеоролике одновременно показаны изолинии поля температуры и вектора поля скорости. Вектора скорости отчетливо визуализируют возвратное течение воздуха, образующееся за кругом.

Холодная обдувает три расположенные друг за другом нагретых круга. На ниже приведенном ролике показана эволюция поля температуры. Сложный характер течения воздуха, наличие возвратных вихревых течений обуславливают характер распространения областей нагретого воздуха.