Чем же компьютерное моделирование может быть полезным при преподавании физики?
Многие разделы школьной программы по физике в условиях школы трудно проиллюстрировать натурными физическими опытами. И это в то время, как изучаемые процессы зачастую довольно сложны и нетривиальны с той точки зрения, что у школьников нет непосредственного опыта их наблюдения. Но даже натурный экмперимент не всегда может проиллюстрировать все свойства изучаемой физической системы.
Именно поэтому компьютерное моделирование, которое является прямым аналогом натурного физического эксперимента, может стать незаменимым инструментом в руках учителя при преподавании физики. Его использование повышает вовлеченность и заинтересованность учеников, усиливает их мотивацию к изучению физики и способствует появлению интереса к инженерным и научным профессиям.
Компьютерное моделирование позволяет ученикам заглянуть вглубь интересных и нетривиальных физических процессов, дает возможность провести по-настоящему научные вычислительные эксперименты, почувствовать себя самостоятельными исследователями.
Набор программ для моделирования физических процессов StartFlow можно использовать при изучении широкого спектра тем школьной программы по физике. Вот некоторые из этих тем:
- динамика
- гравитационное взаимодействие
- электростатика
- теплопроводность
- молекулярная физика
- термодинамика
- поперечные и продольные волны
- колебательные системы (маятники)
- звук
- течения жидкостей и газов.
Как можно использовать компьютерное моделирование в школе?
1. В качестве иллюстративного материала к изучаемым на уроках физическим явлениям.
2. При проведении лабораторных работ
3. Самостоятельные домашние задания на дом
4. При написании школьниками реферативной или учебно-исследовательской работы
5. На факультативных занятиях, которые посвящены углубленному изучению физики.
6. На профессионально ориентационных практиках
1. Использование компьютерного моделирования в качестве иллюстративного материала к изучаемым на уроках физическим явлениям.
В качестве примера выберем раздел школьной программы "электростатика". Возьмем два заряда положительный и отрицательный. Использование электростатического симулятора может наглядно проиллюстрировать поле электростической напряженности в пространстве около этих зарядов.
Например, в случае вращения отрицательного зарядо по круговой траектории в электростатическом симуляторе StartFlow можно легко проследить за эволюцией полей потенциала и напряженности (как векторов, так и модуля электростатической напряженности).
Ниже приведена система из трех заряженных тел, два из которых - положительно, а один - отрицательно. Электростатический симулятор одновременно визуализирует все характеристики поля. Перетаскиванием зарядов курсором мышки можно сгруппировать нужным образом любую систему зарядов и параллельно наблюдать, как изменяется электростатическое поле:
2. Использование компьютерного моделирования при проведении лабораторных работ.
Например, при изучении механических колебаний и звука можно провести лабораторную работу по моделированию такого интересного явления, как ударная волна. Моделирование ударных волн - один из самых интересных и познавательных классов нестационарных газодинамических расчетов. Хотя в обычной школьной программе ударным волнам не уделяется особого внимания, их изучение в рамках лабораторной работы способно вызвать у школьников неподдельный интерес и тягу к самостоятельным исследованиям этого интересного явления.
Компьютерное моделирование в этом случае просто не заменимо, ведь только оно в условиях школы может дать максимальную информацию о зарождении ударных волн, эволюции их строения в процессе распространения в воздушном пространстве, взаимодействии их с твердыми предметами.
Распространение ударной волны в пространстве и взаимодействие ее с окружающими предметами — очень сложный и многофакторный процесс. Передача ударного импульса в воздушном пространстве сопровождается специфическими закономерностями эволюции полей давления, плотности, температуры и скорости. Пакет StartFlow делает процесс моделирования ударных волн простым как никогда. Задав круглую область с повышенным давлением, плотностью, температурой и нажав на кнопку запуска расчета, мы увидим, как генерируется ударная волна, как меняется ее структура по мере распространения в пространстве.
Например, зададим в эпицентре нашего взрыва давление17 атм, температуру – 2000 К или +1727 С, плотность - 3 кг/м3. В представленном ниже видеоролике изображена эволюция поля давления при зарождении и распространении ударной волны. Цветовая шкала охватывает весь диапазон поля давления, то есть от одной до 17 атмосфер.
В видеоролике, изображенном ниже показана эволюция той же самой ударной волны, но в более узкой цветовой шкале (от 0,19 до 4 атм).
Пакет StartFlow позволяет также посмотреть на поле давления ударной волны в виде трехмерного или двумерного графика. В видеоролике, изображенном ниже, показана эволюция трехмерного графика поля давления при зарождении и распространении ударной волны. Этот трехмерный график можно покрутить, рассмотреть со всех сторон, сделать его более или менее выпуклым.
3. Самостоятельные домашние задания на дом с использованием компьютерного моделирования
Моделирование движение пояса астероидов.
4. Написание школьниками реферативной или учебно-исследовательской работы на основе результатов самостоятельных исследований и экспериментов
Все описанные выше задачи, связанные с ударными волнами и глушением звука могут выступать в качестве темы для реферативной или учебно-исследовательской работы. Сейчас хотелось бы поговорить о моделировании такого интересного природного явления, как взрыв вулкана. Сразу оговоримся, что полноценное моделирование извержения вулкана не по зубам даже мощным суперкомпьютерам, находящимся в научно-исследовательских центрах. В нашем случае, когда в распоряжении имеется лишь персональный компьютер, правильнее говорить о моделировании работы некой лабораторной установки, имитирующей вулкан.
Чем же интересна задача моделирования такого «упрощенного вулкана». Во-первых, извержение вулкана - это сочетание таких явлений, как ударные волны и сверхзвуковые течения, между которыми с физической точки зрения много общего. Например, сверхзвуковые течения сопровождаются скачками уплотнения, которые в свою очередь имеют сходную природу с ударными волнами.
Во-вторых, каждый вулкан имеет различную внутреннюю структуру, которая определяет характер его извержения. Пакет StartFlow позволяет поэкспериментировать с внутренней структурой вулканов и получать совершенно различные картины извержения.
Ниже показана эволюция поля давления при моделировании извержения вулкана в пакете StartFlow (цветовая шкала настроена на диапазон давлений от 0,3 до 2,5 атм):
Эволюция поля температур при извержении вулкана (цветовая шкала настроена на диапазон температур от 300 до 2300 К):
5. Использование компьютерного моделирования на факультативных занятиях, которые посвящены углубленному изучению физики.
В качестве примера углубленного изучения физики рассмотрим математическое моделирование течение сверхзвуковой струи в трубе.
Во множестве современных технических устройств возникают такие сложные газодинамические процессы, как трансзвуковые и сверхзвуковые течения в проточных трактах. Например, при сбросе газа из области с давлением в несколько атмосфер в отверстии, через которое осуществляется сброс, реализуется переход от дозвукового течения к сверхзвуковому. Протекание сверхзвуковой струи в трубах приводит к появлению систем скачков уплотнения. Такие явления сопровождают исключительно сверхзвуковые течения и являются весьма сложными с точки зрения их изучения.
Рассмотрим полученные в пакете StartFlow результаты моделирования течения в длинной прямой трубе, в которой установлена так называемая дроссельная шайба. Суть дроссельной шайбы заключается в регулировании расхода воздуха, протекающего через трубу. Мы будем рассматривать случай, когда на дроссельной шайбе осуществляется переход от дозвукового к сверхзвуковому течению.
В видеоролике, приведенном ниже показана эволюция поля давления, которое выходит с течением времени на стационарный режим. Цветовая шкала настроена в диапазоне от 15000 Па до 160000 Па (~1,58 атм).
Мы видим, что в трубе после дроссельной шайбы образовалась структура скачков уплотнения. Если через ось трубы провести секущую линию, то мы получим следующий график давления.
Обратим внимание на то, что между пиками давления, которые соответствуют перекрестиям скачков уплотнения, давление сверхзвуковой струи меньше атмосферного (атмосферное давление 101320 Па)
В видеоролике, приведенном ниже показана эволюция поля модуля скорости. Цветовая шкала настроена в диапазоне от 0 до 1500 м/с.
Из этого видеоролика видно, как меняется структура сверхзвуковой струи. На первом этапе мы видим узкое сверхзвуковое ядро с максимальными скоростями 1100 м/с. Затем в момент времени приблизительно 0,038 с Структура течения начинает меняться: узкое сверхзвуковое ядро постепенно вытесняется широким с максимальными скоростями около 1500 м/с.
Математическое моделирование трансзвуковых и сверхзвуковых течений является очень актуальным для высокотехнологичного производства: авиастроения, авиационного двигателестроения, ракетостроения. Сверхзвуковые струи и сверхзвуковое обтекание твердых тел обладают своими законами, совершенно неприсущими дозвуковым течениям. Работая с заданиями для самостоятельного выполнения, посвященными исследованию сверхзвуковых течений, которые приведены в книге «Компьютерное моделирование процессов физики газа для школьников», ученик приобщается к современной инженерной и научно-технической деятельности.
6. Знакомство с компьютерным моделированием и миром вычислительных технологий на профессионально ориентационных практиках.
Профориентационные практики, как правило, проводятся, чтобы вызвать у школьников интерес к той или иной профессиональной деятельности. В настоящее время вычислительная гидро-газодинамика востребована во многих отраслях наукоемкого производства, она является одной из самых динамично развивающихся областей инженерных и научных знаний. Поэтому знакомство школьников с вычислительной газодинамикой достаточно важно, так как специалисты в этой сфере востребованы на многих высокотехнологичных предприятиях.
Пакет StartFlow является наилучшим средством для первого знакомства с вычислительной газодинамикой. Он позволяет людям без специальной подготовки проводить газодинамические расчеты для наиболее интересных и показательных классов задач.
Чтобы ученики могли примерить на себя роль инженера-расчетчика им можно предложить довольно интересную, но более сложную, чем рассматривались ранее, задачу, связанную с теплообменом.
С практической точки зрения очень актуальными являются задачи связанные с теплообменными устройствами, которые очень распространены в технике (кулер для процессора в компьютере, радиатор для охлаждения двигателей и т.д.). Мы будем рассматривать упрощенную абстрагированную задачу. Пусть у нас есть теплообменная камера с расположенным в центре нагретым элементом. Есть тракт, подводящий к камере холодный воздух, и есть тракт отводящий нагретый воздух. Исходная конструкция теплообменной камеры с воздуховодами приведена на рисунке.
Нам нужно смоделировать течение воздуха в теплообменной камере и процесс теплообмена в ней. Течение будет иметь выраженный сложный трехмерный характер. Для того, чтобы провести анализ эволюции трехмерного поля температуры, мы будем отслеживать изменение температурного распределения в нескольких плоскостях.
На ниже приведенном видеоролике показано, как ведет себя поле температуры в выбранных нами сечениях в начальный момент продувки теплообменной камеры (это не является окончательным решением задачи, здесь нужно проводить расчет, пока поле температуры не выйдет на стационарный режим).
Краткий анализ показывает, что используемая схема подвода и отвода воздуха приводит к образованию так называемых застойных зон, где скапливается высокотемпературный воздух и отсутствует основной поток воздуха. Это в свою очередь может привести к снижению эффективности теплообмена.
Данная задача интересна прежде всего тем, что есть возможность доработать конструкцию устройства, изменив схему подвода и отвода воздуха, с целью повышения эффективности теплообмена. Преподаватель может дать ученикам обсчитать уже готовые варианты конструкции или дать задание самим их придумать.
Интересная прога, таких нигде не видел… Хочется в ней работать часами… Рекомендую всем скачать эту учебную программу!
Вадим Васильев
Действительно довольно мощная для своего класса обучающая программа, если разобраться, как в ней всё работает.
Алексей Абдулов
Для обучающих целей - то, что надо, очень удобный и простой интерфейс, возможность продемонстрировать в реальном времени те вещи, физики газов, которые другими способами сделать нельзя (например с помощью эксперимента в лабораторных работах)
