Деякі перспективи реалізації модельних експериментів на комп"ютері та створення віртуальних лабораторних практикумів із фізики, Детальна інформація

У молекулярній фізиці завдання про рух тіла до і після зіткнення з перешкодою може мати кілька продовжень. Зокрема, якщо помістити рухому точку (молекулу) в прямокутник, що імітує герметичну посудину, і врахувати можливість її пружного відбиття від перешкоди, то можна буде моделювати процес руху однієї молекули ідеального газу. Якщо збільшити кількість молекул, надати кожній з них випадковий напрям руху, врахувати розподіл їх за швидкостями, то можна отримати модель ідеального газу.

Завдання про рух тіла до і після зіткнення з перешкодою може мати продовження і в оптиці, це – відбивання, заломлення світла на межі двох середовищ. Доповнення ще однієї межі розділу дає можливість розглядати проходження світла через плоскопаралельну пластинку, призму. Зміна геометрії межі дозволить імітувати проходження світла через різноманітні лінзи.

Розробка віртуальних фізичних об’єктів. При програмній реалізації компонентів, які виконують роль віртуальних фізичних об’єктів, необхідно враховувати наступне.

Палітра компонентів фізичного практикуму повинна бути повна, тобто кількість компонентів достатня для реалізації широкого кола стандартних фізичних демонстраційних навчальних експериментів.

Кожен конкретний компонент повинен мати таблицю властивостей, що коректно описує його фізичний стан, розмір і розташування.

Компоненти повинні мати можливість динамічно змінювати свої властивості під час модельного експерименту.

Таблиці властивостей кожного компоненту повинні бути продумані з точки зору зручності використання при настроюванні віртуального модельного експерименту і його проведення. Саме сукупність цих таблиць задає вхідні і поточні параметри модельного експерименту.

Доступ до даних у таблиці властивостей повинен бути реалізований так, щоб у ній була можливість змін, як редагуванням за допомогою клавіатури, так і за допомогою миші. Наприклад, зміна мишею розмірів віртуального фізичного об’єкта на екрані, повинна привести до зміни його розміру в таблиці властивостей.

Паралельно з таблицею властивостей компонента повинна існувати таблиця подій. У цій таблиці зарезервовані можливості взаємодії окремих віртуальних фізичних об’єктів між собою і втручання в хід модельного експерименту за допомогою миші або клавіатури.

Необхідно також розробити методи впливу об’єктів один на одного. Саме останні два пункти резервують можливість динамічної взаємодії окремих об’єктів.

Наприклад, якщо об’єкт “промінь”, що розповсюджується в об’єкті “оптично-однорідне середовище” перетинається з об’єктом “плоско-паралельна пластинка”, то відбувається подія попадання променя на пластину. Внаслідок цього відбувається відбиття від кожної границі пластини і заломлення. Відбиття і заломлення – це методи зміни напрямку руху променя. Вигляд об’єкта “промінь”, тобто кути заломлення і відбивання, залежать від властивостей інших об’єктів, зокрема їхнього взаємного розташування. На просторове розташування променя впливають також показники заломлення середовища, пластини, частота світла і кут падіння променя.

Слід відмітити, що деякі віртуальні фізичні об’єкти (компоненти моделі), можуть застосовуватись у різних розділах фізики. Так, наприклад, кулька, що рухається по екрану, потрапляє на перешкоду, і після зіткнення відбивається від неї, може імітувати:

з одного боку, відбиття механічної кулі від перешкоди;

з другого боку, відбиття молекули ідеального газу від стінки посудини;

з третього боку, відбиття корпускули від дзеркала.

Алгоритм, який описує рух цих об’єктів та їх взаємодію з відповідними фізичними середовищами, однаковий. При моделюванні ми повною мірою абстрагуємося від фізичної суті об’єктів та середовищ, де відбувається взаємодія.

Для апробації ідеї швидкої постановки модельних експериментів з екранною імітацією в реальному часі був створений віртуальний практикум з “Геометричної оптики”.

Специфіку використання програм такого типу розглянемо на прикладі реалізації ідеї віртуального фізичного експерименту – про-ходження світлового променя через дві тонкі лінзи.

Порядок роботи з практикумом такий.

Стрілкою-маніпулятором вибираємо пот-рібні компоненти оптичної схеми на панелі компонентів (таблиця 1) і перетаскуємо їх у поле, де відбувається моделювання. Масшта-буємо компоненти.

Стрілкою-маніпулятором вказуємо нап-рям розповсюдження світла. Для цього тягне-мо лінію, що виконує роль променя світла, від джерела через оптичний елемент (через першу лінзу, рис. 1 А).

Далі програма сама будує відхилення пучка світла на першій і другій лінзі. Відхилення світла – це результат його взаємодії з лінзами.

Напрям розповсюдження світла може бути довільний. Якщо віртуальний промінь проходить через віртуальний оптичний елемент, то він змінює свій напрям (рис. 1 Б.)

Треба ще раз відмітити, що, крім панелі компонентів і робочого поля, існує необ-хідність у таблиці властивостей компо-нента. Властивості компонентів, наприк-лад, для призми, включають: розмір, коор-динати на екрані, показник заломлення для тієї частоти світла, з якою ми проводимо модельні експерименти. У цій таблиці знаходяться параметри компонента (вір-туального оптичного елемента), які в числовій формі показують його влас-тивості. Параметри компонента можуть бути внесені в таблицю як при візуальній роботі мишею (наприклад, при розта-шуванні, або масштабуванні), так і безпо-середньо, набором або редагуванням у таблиці. Таблиця включає також і пара-метри, що не можуть бути настроєні мишею. Прикладом, такого параметра є, зокрема, показник заломлення.

На рис. 2 показано заломлення призмою монохроматичних променів двох різних частот.

Основна приваблива риса цього практикуму в тому, що він дозволяє за лічені хвилини провести широке коло віртуальних фізичних експериментів.

Проте, донедавна дуже багато часу витра-чалося на проектування інтерфейсу програми, на створення самих компонентів моделі, на реаліза-цію динаміки руху при візуалізації проектованого процесу.

За цими другорядними деталями інколи втрачається суть моделювання.

Використання програмних продуктів, предс-тавленого вище типу, дозволить зменшити до мінімуму роботи, не пов’язані безпосередньо з моделлю, і збільшити час, відведений на формування самого механізму роботи моделі. Така програма дозволить подивитися на фізичний процес “зсередини” і тому глибше його зрозуміти.

У розглянутому вище практикумі з геометричної оптики не було необхідності у віртуальних вимірювальних пристроях. Тому огляд можливості їх створення розглянутий окремо.