Geum.ru

Е. И. Бутиков Санкт-Петербург

Вид материалаДокументы
Подобный материал:

НОВЫЕ ПРОГРАММНЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УЧЕБНОЙ ЛАБОРАТОРИИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПО ФИЗИКЕ

NEW SOFTWARE AND TUTORIALS FOR DESK-TOP ACADEMIC LABORATORY ON COMPUTER SIMULATIONS IN PHYSICS

Е.И.Бутиков

Санкт-Петербург

Тел.: (812) 542-37-63, факс: (812) 428-66-49, e-mail: butikov@spb.runnet.ru


Для современного этапа развития физической науки характерно становление (в дополнение к экспериментальной и теоретической физике) третьей ее ветви – вычислительной физики, в основе которой лежит компьютерное моделирование физических явлений. Эта тенденция, безусловно, должна найти отражение и в преподавании физики. Компьютерный эксперимент, выполняемый не с реальной физической системой, а с ее математической моделью, не только во многом обогащает и облегчает изучение традиционных разделов курса физики, но и дает ключ к изучению многих трудных для усвоения вопросов, недоступных традиционным методам исследования. В частности, с помощью компьютерных моделей можно изучать нелинейные явления, где аналитические методы зачастую оказываются бессильными.

Включение в учебный процесс на физических и других естественнонаучных специальностях систематических занятий по компьютерному моделированию в той или иной форме (скажем, в форме учебной лаборатории моделирования в качестве дополнения к традиционным формам – лекциям, семинарам и физической лаборатории) представляется своевременным и совершенно необходимым. Весьма перспективно также использование моделирующих программ и сопровождающих их методических материалов в системе дистанционного обучения. Студентов младших курсов в процессе изучения общей физики можно приобщать к идеям и методам компьютерного моделирования, используя специально разработанные для учебных целей моделирующие компьютерные программы. Если проводить параллель с экспериментальной физикой, то этому этапу соответствует работа на уже готовой и тщательно отлаженной экспериментальной установке. Студент получает возможность сосредоточиться на физике изучаемых явлений, не отвлекаясь на чисто технические проблемы моделирования.

В настоящее время нами разработаны и активно используются в учебном процессе два комплекса таких лабораторных работ по компьютерному моделированию физических явлений – "Введение в физику колебаний" и "Основы классической динамики".

В комплексе компьютерных учебных программ "Введение в физику колебаний" (и прилагаемом к нему учебном пособии) для моделирования выбраны механические колебательные системы, движение которых можно отобразить непосредственно на экране компьютера. Визуализация движения с одновременным построением фазовых диаграмм и графиков значительно облегчает понимание многих абстрактных теоретических концепций. Учебный комплекс позволяет преподавание теории колебаний (как одного из разделов курса физики) целиком перевести на использование новых информационных технологий. В 1996 году этот комплекс стал лауреатом Европейского конкурса образовательных компьютерных программ (European Academic Software Award, EASA96). Англоязычная версия [1] комплекса программ опубликована в США и распространяется Американским институтом физики. В 1998 году пакет "Physics of Oscillations" победил на ежегодном конкурсе США на лучшую компьютерную программу, проводимом американским журналом "Computers in Physics." В 1999 году в СПбГИТМО издана русскоязычная версия [2] учебного пособия к моделирующим программам. Структура учебного пособия и компьютерных программ комплекса допускают возможность разной глубины изучения материала. Поэтому комплекс может быть адаптирован к конкретным условиям различных вузов.

Комплекс "Основы классической динамики" (англоязычная версия опубликована в США [3] под названием "Planets and Satellites") построен на наглядных примерах из небесной механики и космической динамики. Движения естественных и искусственных небесных тел дают наиболее впечатляющее опытное подтверждение классической ньютоновской механики. В этой замечательной космической лаборатории все явления наблюдаются в наиболее "чистом" виде, не осложненном побочными факторами вроде трения, сопротивления воздуха и т.п., неизбежными в земных лабораторных условиях. Программы комплекса моделируют движения тел в центральном поле тяготения, иллюстрируя законы Кеплера и предоставляя возможность их проверки в вычислительном эксперименте; строят годограф вектора скорости в кеплеровом движении; показывают прецессию орбиты спутника при отклонении гравитационного поля планеты от закона обратных квадратов; моделируют влияние атмосферы планеты на эволюцию орбиты спутника. Программы позволяют изучать относительное движение орбитальных тел, проектировать и моделировать космические экспедиции, и многое другое. На примере движения компонент двойной звезды в разных системах отсчета рассмотрена задача двух тел.

Самые удивительные эффекты в небесной механике проявляются при исследовании задачи трех (и многих) тел, тяготеющих друг к другу. Система трех (и более) взаимодействующих тел моделируется в нескольких программах комплекса. В частности, моделируется движение планеты в системе двойной звезды, взаимные возмущения планет, обращающихся вокруг одиночной звезды, "космические катастрофы" при сближении двух планетных систем, и многое другое. В движениях небесных тел можно найти примеры хаотического поведения, когда в простой динамической системе, подчиняющейся детерминистическим законам, движение становится нерегулярным, хаотическим. Компьютерное моделирование позволяет продемонстрировать примеры динамического хаоса, когда малейшее изменение параметров системы или ее начального состояния радикально сказывается на долговременном поведении.

В сопровождающем программы учебном пособии приведены сведения из теории изучаемых явлений с краткими замечаниями исторического характера, описывается принятая математическая модель явления, предлагаются теоретические задачи и формулируются задания для экспериментальной работы на компьютере. Приводятся также математические сведения, необходимые для углубленного изучения материала. В 1999 году комплекс "Planets and Satellites" стал победителем 10-го ежегодного конкурса на лучшую образовательную компьютерную программу, проводимого журналом Американского института физики "Computing in Science and Engineering".

Практический опыт применения интерактивных моделирующих компьютерных программ свидетельствует, что они способны значительно повысить эффективность изучения некоторых разделов курса физики. Успешное использование таких программ в учебном процессе возможно лишь в комплексе с тщательно подготовленными методическими материалами и специальными учебными пособиями. Компьютерный эксперимент выполняет также и функции контроля за усвоением приобретенных знаний и навыков: полученные при самостоятельном решении теоретических задач результаты студент проверяет на опыте, а не по готовому ответу. Такой подход усиливает эмоциональную сторону учебного процесса и стимулирует познавательный интерес, приближая работу студента по своему характеру к небольшому научному исследованию.
Литература

1. Eugene Butikov, "Physics of Oscillations." Physics Academic Software, American Institute of Physics, N.Y., 1996. rg/pas.

2. Е.И.Бутиков, "Колебания линейных систем", часть I "Собственные и вынужденные колебания", часть II "Параметрические колебания", СПбГИТМО (ТУ), Санкт-Петербург, 1999.

3. Eugene Butikov, "Planets and Satellites." Physics Academic Software, American Institute of Physics, N.Y., 1998. rg/pas.