Виртуальные лабораторные работы по физике

Набор программ StartFlow

Для учителей физики

 

Чем же компьютерное моделирование может быть полезным при преподавании физики?
Дело в том, что 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. Главной целью такого подхода к образованию является вовлеченность и заинтересованность учеников, их мотивация к изучению физики и появление интереса к инженерным и научным профессиям.
Для этого есть все предпосылки: в школах появляются мультимедийные классы, оснащенные проекторами, информатклассы укомплектовываются современными компьютерами, и у большинства школьников дома есть собственные компьютеры. Использование компьютерного моделирования 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
- теплопроводность
- молекулярная физика
- термодинамика
- поперечные и продольные волны
- колебательные системы (маятники)
- звук
- течения жидкостей и газов.
 
И так, как можно использовать компьютерное моделирование в школе? Его можно использовать следующими способами:
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
 
Остановимся более подробно на этих пунктах и приведем конкретные примеры:
 

1. Использование компьютерного моделирования в качестве иллюстративного материала к изучаемым на уроках физическим явлениям.

Для того, чтобы повысить интерес учеников к изучаемому материалу, можно показать какой-то яркий, запоминающийся пример физического явления, которое может даже показаться на первый взгляд парадоксальным. При изучении молекулярной физики, газовых законов в качестве такого яркого примера можно привести совершенно простую на первый взгляд задачку. Предположим, у нас есть два сосуда, соединенных между собой каналом. В начальный момент времени канал, соединяющий сосуды перекрыт. В обоих сосудах одинаковая температура +15 С. А вот давление разное. В одном из сосудов обычное атмосферное давление, а в другом давление равно четырем атмосферам. Нужно посмотреть, что будет происходить с газом, при открытии канала, соединяющего сосуды, как будет меняться его температура.
Довольно простая задачка, но провести натурный физический опыт в условиях школы практически невозможно. Но даже если бы была возможность провести эксперимент, мы смогли бы получить лишь осредненные характеристики процесса.
Компьютерное моделирование в этом случае выступает в роли уникального инструмента. С одной стороны современные вычислительные технологии позволяют на обычном персональном компьютере смоделировать с высокой степенью точности реальный физический процесс. Математическое моделирование в этом случае практически не отличается от реального физического процесса, поэтому его еще называют вычислительным экспериментом. С другой стороны компьютерное моделирование обладает мощнейшими возможностями визуализации процесса, которое позволяет заглянуть в самую глубь интересных физических явлений в независимости от времени из протекания.
Вот как будет выглядеть процесс моделирования задачи с перетеканием воздуха из сосуда в сосуд в пакете StartFlow:
 

Воздух, выходя из первого сосуда, резко охлаждается в следствие падения давления. В начальный момент времени температура воздуха в струе охлаждается до -100 С! В итоге во второй сосуд входит струя очень охлажденного воздуха и начинает сжимать воздух вокруг себя. Волны сжатия приводят к волнам повышенной температуры. С течением времени во втором сосуде область растущей температуры начинает окружать холодный воздух, пришедший из первого сосуда. Температура воздуха в некоторых областях во втором сосуде достигает +84 С. То есть получается, что холодный воздух из первого сосуда начинает нагревать воздух во втором.
 

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

Одной из самых интересных и ярких прикладных задач из раздела «механические волны и звук» является глушение звука выстрела. Этот процесс на первый взгляд очень загадочен: как небольшая «штуковина», накручивающаяся на ствол пистолета приводит к исчезновению оглушительного хлопка выстрела. Компьютерное моделирование в пакете StartFlow с легкостью разрешит эту загадку. Школьники не только смогут воочию увидеть как глушитель «съедает» звук выстрела, но и смогут сравнить по эффективности разные конструкции глушителей, усовершенствовать эти конструкции, предложить свою. Такое домашнее задание поможет школьникам проявить свои изобретательские способности, они смогут почувствовать себя в роли настоящего инженера-конструктора.
В ниже приведенном видеоролике показано распространение ударной волны при выстреле без глушителя (в начальный момент времени показан участок ствола с повышенным давлением в нем).

 Из видеоролика видно, что в полости ствола область высокого давления полностью исчезла, образовав сферическую ударную волну. Весь ударный импульс взрыва передался воздуху, который окружает ствол.
В ниже приведенном видеоролике показано распространение ударной волны при выстреле с глушителем.

 Из видеоролика видно, как ударная волна, выходя и ствола и попадая в полость глушителя, расширяется и начинает отражаться от стенок. Подходя к выходу, ударная волна не выходит целиком из полости глушителя, значительная ее часть отражается от торцевой стенки, и оставаясь в камере, продолжает переотражаться от ее стенок. Та, ударная волна, которая вышла из глушителя, существенно ослаблена.

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.