Обствует лучшему пониманию физических явлений, вырабатывает навыки моделирования виртуальной реальности, создает положительный эмоциональный настрой у студентов

Вид материала

Подобный материал:

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
НА VPYTHON

Гетманова Елена Евгеньевна, (elge@mail.ru), канд.физ.- мат. наук, доцент,

Белгородский государственный технологический университет

им. В. Г. Шухова (БГТУ им. В. Г. Шухова)

АННОТАЦИЯ. Использование VPython при изучении физики повышает эффективность обучения, способствует лучшему пониманию физических явлений, вырабатывает навыки моделирования виртуальной реальности, создает положительный эмоциональный настрой у студентов. В докладе рассматривается моделирование физических процессов классической механике с помощью VPython.

Использование компьютерных технологий повышает эффективность преподавания фундаментальных дисциплин, в частности, физики. Компьютерная графика делает физические процессы более наглядными, а численные методы позволяют изменять физические параметры и тем самым исследовать явления всесторонне.

Компьютерные технологии акцентируют внимание на главном в изучаемом явлении, и способствуют, тем самым, более глубокому пониманию их сущности. Они обеспечивают разнообразие форм передачи информации. Известно, что информация, доносимая до учащегося в нескольких видах (анимационной, графической), воспринимается более эффективно. Анимационные модели позволяют пояснить в наглядном виде основные идеи физического явления студентам.

Таким образом, происходит обучение моделированию виртуальной реальности, поскольку самый эффективный способ моделирования процессов реальности основан на использовании физических законов, так как эти законы описывают взаимодействия объектов в окружающем мире.

Следует отметить, что моделирование физических явлений средствами компьютерной графики дает студентам возможность самостоятельно исследовать физический процесс, менять параметры и наблюдать, как протекает процесс. Это развивает творческую активность, вызывает желание моделировать физические явления.

Умение работать с компьютерной графикой и создавать физические модели необходимо каждому специалисту. Поэтому заинтересованность студентов в обучении физики с помощью компьютерных программ высока. Общеизвестно, что, чем выше заинтересованность обучаемого в предлагаемом материале, чем интенсивней его эмоциональный настрой, тем лучше проходит процесс усвоения учебного материала.

Python - интерпретируемый, объектно-ориентированный, высокоуровневый язык программирования, который имеет достаточно простой синтаксис. Интерпретатор Python и большая стандартная библиотека распространяются свободно. Python имеет подключаемый графический модуль, который называется “Visual”. С помощью модуля VPython создается 3D графика. Во многих университетах мира студенты используют VPython для моделирования физических процессов. Использование VPython позволяет сконцентрироваться на физической сути явлений и получать графические модели без особых сложностей.

В Белгородском государственном технологическом университете им. В. Г. Шухова студенты выполняют лабораторные работы по моделированию физических процессов в VPython.

Пакет включает встроенные графические объекты (параллелепипед, сферу, тор и т.д.), которые, при написании кода, появляются на экране. Каждые объект может быть описан определенным набором параметров. Например, body=box(length=1, height=1, width=1, color=color.blue).

При моделировании используются векторные физические величины, которые управляют движением и положением объектов. Эти величины задаются в виде векторов, проекции которых указываются в скобках тремя числами. Положение и скорость объекта задаются как body.pos = vector (0,0.5,0), body.velocity=vector (-1,0,0). Например, при изучении равномерного и равнопеременного движения, задаются сами объекты, их положения, скорости, ускорения. Код программы подключает графический модуль, модуль для создания графиков. При запуске программы (F5) появляется окно, в котором заданные объекты двигаются по поверхности. Одновременно строятся графики зависимости пройденного пути от времени (рис.1). Данная лабораторная работа помогает понять физический смысл отрицательных ускорений и скоростей. В качестве заданий для самостоятельной работы предлагается ввести новые объекты, которые двигаются навстречу друг другу, задать законы их движения, построить дополнительные графические окна, в которых отображаются графики зависимости скоростей и ускорений тел от времени. Когда объекты встречаются, графики пересекаются, и определяется время и место встречи

Рис.1 Равномерное и равнопеременное движения тел

Моделируются также движение двух тел, одно из которых, двигается под углом к горизонту, а второе  параллельно поверхности (рис.2). Изменения координаты тел от времени представляется в виде графиков. Расстояние между телами при движении меняется и в качестве самостоятельного задания предлагается построить график изменения расстояния между объектами от времени.

Рис. 2 Движение тела брошенного под углом к горизонту и двигающегося равномерно параллельно поверхности

Одна из лабораторных работ посвящена изучению второго закона Ньютона и рассмотрению движения центра масс системы двух тел. Для указания направления силы вводится вектор, компоненты которого показываются направления силы. В зависимости от начальной скорости и направления силы характер движения тел меняется. В качестве самостоятельной работы предлагается ввести положение центра масс системы и посмотреть закон его движения, построить график изменения координаты тела от времени.

При изучении моментов инерции моделируются вращения тел различной формы. Указывается направление угловой и линейной скоростей. В качестве самостоятельной работы предлагается изменить ось вращения. Рассматриваются способы управлением скоростью вращения и поступательного движения тела с помощью ползунков и переключателей (рис.3). В качестве самостоятельной работы предлагается рассмотреть различные тела – цилиндр, сферу, тор, которые совершают плоское движение. Строятся графики зависимости кинетической энергии тел от времени.

С помощью одной из лабораторных работ исследуется движение стержня брошенного под углом к горизонту. Подобного рода задачи часто возникают при создании игр. В общем случае, как известно, такое движение представляет собой поступательное и вращательное движения.

На сегодняшний день Python имеет много применений, в частности, для написания сценариев для Интернета. Лабораторные работы позволяют изучать как физику, так и основы программирования. Следует также отметить, что такой подход в образовании представляет собой обучение через действие, и воспринимается студентами как имеющий непосредственное отношение к их личным целям и вызывает большой интерес.

Рис.3 Вращательное движение твердого тела

Литература

11. VPython Simulation. — Режим доступа: ссылка скрыта— Даьа обращения 15.11.2009.

2 Гетманова Е.Е. Моделирование физических процессов на VPython, Электронное учебное пособие, БГТУ, Белгород, 2009.

Blog