Simulation на уроке физики Компьютерное моделирование законов сохранения в механике

Компьютерное моделирование представляет собой достаточно новый инструмент в учебном процессе. Сама идея и ее реализация при помощи компьютера (пакеты программ) представляет собой богатый научно-технический опыт. Это свидетельствует о том, что настало время за счет научного развития поднять доступность и наглядность учебного материала.
Широкое распространение персональных компьютеров и все возрастающие требования со стороны вузов к абитуриентам, которые должны обладать высокой компьютерной грамотностью, заставляют думать в настоящее время о перестройке учебных планов буквально по всем дисциплинам с целью включения в учебные курсы материала, связанного с компьютерами. Анализ многих публикаций показывает, что далеко не во всех средних учебных учреждениях используются компьютерные технологии в преподавании.
Вместе с тем компьютерное моделирование составляет неотъемлемую часть современной науки, причем по важности оно приближается к традиционным экспериментальным и теоретическим методам. Можно предположить, что в ближайшее время умение моделировать на компьютере станет обязательным для выпускников школы.
Целью уроков по компьютерному моделированию является создание условий, в которых лицеист, используя возможности современных ЭВМ, научится моделировать физические задачи.

Знакомство с возможностями программы Interactive Physics
Компьютерное моделирование физических процессов и явлений с помощью программы Interactive Physics открывает широкие возможности в применении этого метода в процессе обучения. Теоретическая основа данной программы – механика Ньютона. Она позволяет моделировать физические процессы из разделов “Механика”, “Электродинамика” и “Молекулярная физика”.
В англоязычной литературе вместо термина моделирование используется весьма точно отражающее суть метода слово SIMULATION, которое в русском переводе имеет несколько странный, “бытовой” оттенок – симуляция.
Программа Interactive Physics, при помощи имеющихся в наличии различных инструментов (“тел”, соединительных элементов и др.), позволяет показывать на экране как простые, так и очень сложные модели для исследования. Их яркое изображение позволяет наглядно увидеть какую-либо физическую систему. А число этих объектов (образов) ограничено только воображением человека. При нажатии “Run” изображение “оживает”, и физический процесс протекает со всеми следующими из него последствиями (столкновение тел, притяжение зарядов, движение тела под действием или в отсутствие различных сил и т.д.). Нажатием “Stop” процесс останавливается в любой момент времени, “Reset” – и система вновь придет в начальное положение.
Свойства и параметры объектов (тел) могут задаваться и изменяться определенным образом. Поле гравитации, сила сопротивления воздуха, а также действие других внешних сил может изменяться или отсутствовать вообще. Фактически любая физическая характеристика объекта может принимать произвольные значения, эти величины легко контролируются и фиксируются в любой момент времени. Координаты, скорость, ускорение, импульс, энергия, силы и другие параметры могут присутствовать на экране в виде, удобном для решения конкретной поставленной задачи (числовые значения, графическое представление, векторы).
При задании определенных параметров системы, а также соответствующих внешних условий, необходимых для наблюдения того или иного процесса (явления), физические законы выполняются с большой точностью. Для более наглядного представления и выполнения каких-либо практических работ на экран можно внести дополнительные элементы: таблицы, шкалы с диапазоном значений изменяемых величин, текст, рисунок и др.
Наконец, модели, разрабатываемые в системе Interactive Physics, обладают уникальной возможностью непосредственного влияния на процесс, что очень важно, так как позволяет сразу получить ответ на вопрос “А что будет, если?” и увидеть результат изменений в процессе развертывания временной эволюции явления. Тем самым процесс наблюдения превращается в исследование, выявление сути физических явлений. Также большое преимущество программы в простоте обращения и возможности создания репрезентативных моделей. При работе с этой программой вся рутинная математика “спрятана” в компьютер, а ученику представляется только физическая суть явления. Все это делает программу Interactive Physics очень подходящим инструментом для использования (в конкретных пределах) в учебном процессе, причем как учениками, так и учителями в равной мере.
Однако при внедрении в учебный процесс этой технологии нужно помнить, что компьютерные лабораторные работы ни в коей мере не должны рассматриваться как “заменитель” реальных экспериментальных исследований. Скорее можно говорить об изменении традиционной схемы изучения физики “теоретический материал -> решение задач -> лабораторная работа” на новую – “теоретический материал -> компьютерный эксперимент -> решение задач -> лабораторная работа”. Может и должен дискутироваться вопрос о месте компьютерного эксперимента в этой схеме.
Вашему вниманию предлагается разработка одного из уроков по компьютерному моделированию законов сохранения в механике. Урок проводился в рамках профессиональной общественно-государственной экспертизы инновационной деятельности лицея N 1 г. Усолья-Сибирского Иркутской области и получил высокие оценки экспертов-информатиков и экспертов-физиков.
Подготовительный этап.
а) За 10 дней до открытого урока учащимся было разослано Приглашение на урок, которое предназначалось для лучшего психологического настроя. Текст примера приглашения приводится ниже:
Приглашение
Уважаемый имярек! Приглашаю вас на открытый урок по компьютерному моделированию в физике, который состоится 10 февраля 2000 года в 10 часов в кабинете N 8. Тема урока: “Компьютерное моделирование законов сохранения в механике”.
Надеюсь на наше плодотворное сотрудничество и взаимопонимание на уроке!!! Я просил бы вас быть на уроке активным моим соавтором, слушателем, исследователем, критиком, аналитиком, комментатором и просто товарищем!!! Я верю, что успех придет только при нашем совместном сотрудничестве и взаимоподдержке!!!
С уважением Виктор Ильич Донской
б) На рабочие места лицеистов устанавливается программная поддержка урока: на диске С:/ создается каталог Iptemp для файлов временного хранения материала по компьютерному моделированию. В этом каталоге создается каталог Urok, в котором помещается весь материал к открытому уроку: текстовый документ Urok. doc с описанием моделированных экспериментов и все файлы с расширением *.ip.
в) Для моделирования используется программа Interactive Physics 3.0, любезно предоставленная кафедрой общей физики физического факультета Иркутского государственного университета.
Урок:
1. 10 минут – повторение материала 9-го класса по законам сохранения энергии и импульса в форме беседы с учениками. Выясняются формулировки законов, границы их применимости, обсуждаются понятия количества движения, энергии потенциальной, кинетической, внутренней, вспоминаются единицы измерения, определение работы, понятия внешней и внутренней силы.
2. 5 минут. Для активизации мыслительной деятельности предлагается ТРИЗовская игра. Продолжите фразу: “Моделировать физический эксперимент на компьютере – это хорошо…”. Следующий ученик продолжает фразу предыдущего товарища с окончанием “… – это плохо” и т.д. до тех пор, пока все ученики не выскажут своего мнения.
3. 35 минут. Ученикам предлагается открыть файл с описанием лабораторной работы по адресу: С:/Iptemp/Urok/urok.doc и выполнить лабораторную работу N 1 – “Изучение закона сохранения механической энергии”. В ходе выполнения заданий учитель осуществляет постоянный мониторинг успешности выполнения лабораторной работы учениками и их индивидуального темпа работы.
Проверочная работа по теме “Законы сохранения в механике”
Задача 1. С вершины идеально гладкой сферы соскальзывает небольшой груз. С какой высоты Н, считая от вершины, груз оторвется от сферы? Радиус сферы R равен 90 см.
Задача 2. С наклонной плоскости, образующей угол с горизонтом, с высоты Н соскальзывает небольшая шайба. В конце спуска, у основания наклонной плоскости, шайба ударяется о стенку и отскакивает от нее вверх по наклонной плоскости (удар абсолютно упругий). Определите, на какую высоту поднимется шайба после удара, если коэффициент трения шайбы о плоскость равен k.
Этот урок является первым в серии по компьютерному моделированию законов сохранения в механике. Далее были исследованы законы сохранения импульса, применение законов сохранения для абсолютно упругих и абсолютно неупругих столкновений. На двух заключительных этапах ребята сами предлагают компьютерные модели и готовят описание к ним. После этого они предлагают их на суд самых строгих экспертов – своих товарищей.
Если вас заинтересовало данное направление работы, то ваши замечания, предложения мы ждем по адресу donskoi@irmail.ru.
В заключение нам хотелось бы выразить благодарность вдохновителям работ по внедрению в учебный процесс компьютерного моделирования доктору физико-математических наук, заведующему кафедрой общей физики ИГУ Александру Афанасьеву и заместителю директора лицея N 1 по образовательной политике Наталье Борис.
Виктор ДОНСКОЙ,
учитель физики лицея N 1,
Яна ЕЖОВА,
преподаватель авторской экспериментальной школы N 47
Усолье-Сибирское,
Иркутская область

Лабораторная работа N 1

“Изучение закона сохранения механической энергии”
Цель: наблюдая за движением тела по горизонтальной и наклонной плоскости, проследить переход энергии из одного вида в другой (потенциальной в кинетическую)
запустите программу Interactive Physics 3.0, откройте файл gorkal.ip;
тело находится на высоте Н = 3 (м);
установите коэффициент трения между плоскостью и телом, равный нулю (левой кнопкой “мыши”, по шкале на экране);
кнопкой “Run” тело приходит в движение (v0 = 0);
“Reset” – возврат тела в начальное положение;
“Stop” – остановка тела в любой момент времени;
на экране даны графики изменения кинетической и потенциальной энергий тела (здесь же можно посмотреть численные значения: для этого “нажать” стрелку в этой таблице);
проследите по графикам связь между этими видами энергий;
используя численные значения кинетической и потенциальной энергии тела, данные на экране, проверьте выполнимость закона сохранения механической энергии;
установите коэффициент трения тела и плоскости k = 0,2 (“Run”);
выполняется ли закон сохранения механической энергии? Поясните, почему.
напишите закон сохранения энергии для данной задачи; произведите соответствующие расчеты;
проанализируйте свои наблюдения. Сделайте вывод относительно выполнимости закона сохранения полной механической энергии;
объясните полученный результат. Сделайте вывод;
обратите внимание на то, что, когда тело остановится, энергия тела не равна нулю. Почему?
Из эксперимента установите границы применимости закона сохранения полной энергии.

4. 15 минут. После выполнения работы учитель предлагает провести публичную защиту результатов работы трем ученикам с целью корректировки отчетов по лабораторным работам.
5. 15 минут. Предлагается выполнить проверочную работу по закону сохранения полной механической энергии и включить ее в отчет.