Методика проведення комп’ютерного фізичного експерименту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика проведення комп'ютерного фізичного експерименту за допомогою ПЗ "Молекулярна фiзика на комп'ютерi 1.05"

Значення віртуального фізичного експерименту особливо зростає там, де мають справу з явищами, які не спостерігаються в повсякденному житті, або ж із явищами, спостереження яких пов'язане із значними труднощами [1; с. 37]. фізика експеримент комп'ютерний

В ході експерименту комп'ютер може бути використаний як пристрій, за допомогою якого можна демонструвати всьому класу окремі явища, що вдається спостерігати лише з допомогою мікроскопа. Сьогодні значна частина шкіл вже має комп'ютерні класи, що дає реальну можливість використання НІТ в навчальному процесі, зокрема під час проведення фізичного експерименту.

На думку С. Проценко комп'ютерне моделювання дає змогу створити на екрані комп'ютера живу, наочну й динамічну картинку фізичного досліду або явища, яке важко «пояснити на пальцях», і відкриває широкі можливості для удосконалення навчального процесу [9; с. 47].

Значну частину таких процесів вивчає молекулярна фізика, а тому постає реальна потреба створення програмного забезпечення, здатного спростити та покращити процес вивчення окремих питань даного розділу фізики. Таке завдання було частково розв'язане вченими Московського фізико-технічного інституту, якими створено курс "Молекулярна фiзика на комп'ютерi 1.05". Цей курс об'єднує ряд комп'ютерних програм i iнструкцiю, яку рекомендується прочитати перед початком роботи з програмами. Курс "Молекулярна фiзика на комп'ютерi1.05" був випробуваний в навчальному процесi кафедрою фiзики зазначеного iнституту.

Нами проаналізовані, доопрацьовані та адаптовані до шкільного курсу фізики деякі моделі, як наприклад комплексна модель явищ переносу та броунівський рух.

Дана програма дозволяє iлюструвати закони молекулярної фiзики на основi двовимiрної моделi iдеального газу. Кожна молекула представлена у виглядi твердого диску, а розрахунок зiткнень молекул мiж собою i зi стiнками проводитися за законами класичної механiки. Комп'ютер тримає в пам'ятi координати та швидкостi всiх молекул i обчислює статистичнi закономiрностi та параметри газiв.

Така модель дозволяє показати статистичний характер законiв молекулярної фiзики i термодинамiки, а також зв'язок мiкро- i макроскопiчних параметрiв термодинамiчних систем. Також є можливiсть змiнювати рiзнi параметри системи (температуру, число молекул, об'єм посудини i т.д.). Дане програмне забезпечення дозволяє продемонструвати явища броунівського руху, осмосу, дифузії, ентропії, флуктуації, в'язкості, ізотермічний та адіабатний процеси, цикл Карно та ін.

Опис лабораторних робіт

Для зручності, запуск ПЗ «Молекулярна фiзика на комп'ютерi 1.05», можна виконати за допомогою спеціально розробленої презентації PowerPoint. Для цього необхідно підвести курсор мишки до напису «ЗАПУСТИТИ ПРОГРАМУ» та натиснути ліву клавішу. В результаті з'явиться слайд, де користувач може аналогічним чином обрати тему лабораторної роботи, з якою він буде працювати. Наступний крок передбачає ознайомлення з короткими теоретичними відомостями з теми обраної роботи, а також можливість запуску програми чи припинення виконання роботи.

Дослід Броунівський рух.

Мета роботи: віртуальним експериментом перевірити положення МКТ про броунівський рух.

Обладнання: ЕОМ, програмне забезпечення WINDOWS та програма BROWNIAN з пакету програм «Молекулярна фiзика на комп'ютерi 1.05».

Явище броунівського є одним з найпереконливіших доказів існування молекул і їхнього хаотичного теплового руху. Назване воно на честь англійського ботаніка Р. Броуна, який відкрив його 1827 р., спостерігаючи в мікроскоп за краплиною води, в якій відбувався невпорядкований рух плаваючих в ній спор рослин. Броун не дав пояснення цьому явищу, і воно взагалі довгий час не вивчалося. Тільки через 50 років після спостереженнь Броуна було відкрите таке саме явище в газах. Першим теоретично пояснив причину броунівського руху польський учений М. Смолуховський, висновки якого підтвердив Ж. Перре, а згодом Ейнштейн.

Програма "Броунiвський рух" моделює хаотичний рух найдрiбнiших макрочастинок, що знаходяться в рiдинi або газi. Броунiвський рух викликається ударами, мiж пiддослiдними зваженими частинками та оточуючими молекулами, що здiйснюють неперервний тепловий рух. Інтенсивнiсть броунiвського руху зростає iз зменшенням маси частинки i збiльшенням температури. Ейнштейн показав, що середнiй квадрат змiщення () броунiвської частинки пропорцiйний часу (закон дифузiї): , де D - коефiцiєнт, що залежить вiд температури газу, маси частинки i т.д.

B програмi використана двовимiрна модель iдеального газу. Як броунiвська частинка вибирається диск iстотно більших розмiрiв i маси. Комп'ютер розраховує зiткнення молекул газу з броунiвською частинкою, враховуючи закони механiки (пружний удар) i будує траєкторiю руху броунiвської частинки, а також графiк залежностi квадрата змiщення вiд часу для даної частинки. Для бiльшої наочностi рух частинки на екранi можна спостерiгати одночасно в двох вiкнах з рiзними масштабами.

Щоб набрати статистику i провести усереднення, в програмi проводиться послiдовний "запуск" з центру екрану чотирьох броунiвських частинок. Передбачено також усереднення по всих попереднiх дослiдах. Початковi умови окремих запускiв: броунiвська частинка знаходится в центрi поля зору в станi спокою, в газi встановився рiвноважний розподiл за швидкостями.

Запропонована модель демонструє статистичний характер броунiвського руху, а також закон .

Виконуючи роботу, ви можете рухатися по «меню» за допомогою стрiлок або мишки. Кнопка [Старт] означає запуск молекул в лiвому верхньому вiкнi, при цьому броунiвська частинка рухатиметься, а в нижньому вiкнi зображатиметься її траєкторiя.

Виконання роботи можна зупинити в будь-який момент, натиснувши [Стоп] або праву кнопку мишки, для припинення роботи передбачено кнопку [ Вихiд ] або <F10>. Також можна повторити виконання експерименту та переконатись, що результати знову підтвердять закон: .

В'язкість.

Мета: дослідити явище виникнення внутрішнього тертя.

Обладнання. ЕОМ, програмне забезпечення WINDOWS та «Молекулярна фiзика на комп'ютерi 1.05», зокрема програма VISCOSTY.

Завантаживши дану лабораторну роботу, користувачі мають змогу ознайомитись з теоретичним матеріалом, а потім перейти до виконання лабораторної роботи. Інтерфейс програми зручний тим, що в будь-який момент можна зупинити процес, продивитися підказки, змінити параметри системи або ж обрати інший вид експерименту. Користувач може змінити кількість молекул, температуру, відстань між пластинками та прослідкувати за допомогою графіків, як змінюється система при зміні тих чи інших параметрів. Це дає змогу краще зрозуміти суть явища в'язкості, причини його виникнення. Слід зазначити, що користувач сам обирає який процес він досліджує при зміні виду пластинки (можна встановити вільну чи закріплену пластинку або ж зовсім прибрати її та розглянути потік газу).

В'язкiстю називається явище виникнення дотичних сил внутрiшнього тертя мiж шарами рухомого газу або рiдини. Дана програма допоможе Baм переконатися в iснуваннi цих сил на простих прикладах.

Програма моделює виникнення внутрiшнього тертя в газах в результатi поперечного перенесення iмпульсу. В даній програмі розглянуто двовимiрну модель iдеального газу, що знаходиться мiж двома паралельними пластинками. Зiткнення молекул мiж собою розраховуються за законами класичної механiки, вважаючи, що зіткнення абсолютно пружні. Зiткнення з пластинками не є абсолютно пружними.

У програмi розглянуто декiлька випадкiв:

1) Верхня пластина закрiплена, тодi як нижня починає рiвномiрно рухатися. В ході експерименту демонструється рух газу мiж двома пластинками - закрiпленої верхньої i рухомої з постiйною швидкiстю нижньої. В цьому випадку програма обчислює силу, що дiє на верхню пластинку. На основі одержаних даних будується графiк залежностi сили F, що дiє на верхню пластинку вiд часу. Програма дозволяє змінювати такі параметри, як температура, кількість молекул та відстань між пластинками.

Пропонується спочатку виставити довільні значення кожного з параметрів, наприклад: , , , і запустити програму. В результаті буде побудовано графiк залежностi сили, що дiє на верхню пластинку вiд часу. Потім, виставляючи по черзі температури і (решту параметрів залишати сталими), будують нові графіки в тій самій системі координат. В результаті, проаналізувавши одержані графіки приходять до висновку, що сила спочатку різко зростає, а потім, наблизившись до певного значення, майже не змінюється. Також можна підкреслити, що при вищій температурі сила приймає більше значення.

Аналогічно демонструють характер зміни сили в залежності від відстані між пластинками. В роботі можна встановлювати відстані: , , . В результаті виконання роботи переконуються, що сила спочатку зростає до певного значення, а потім майже не змінюється. Однак на відміну від попереднього випадку, при збільшені відстані між пластинками сила зменшується.

У випадку коли змінюють тільки кількість молекул (), помічають ту ж залежність, що і в першому випадку: різке зростання сили до певної межі, а також збільшення сили при збільшенні кількості молекул в досліді.

2) Верхня пластинка вiльна, тодi як нижня пластинка починає рiвномiрний рух. Пiд дiєю сил внутрiшнього тертя верхня пластинка також починає рухатися. Обчислюється залежнiсть швидкостi пластинки вiд часу.

В даному досліді можна змінювати кількість кількість молекул, температуру та відстань між пластинками.

Змінюючи лише температуру, переконуються в тому, що швидкість молекул спочатку різко зростає, а потім, досягнувши певного значення, майже не змінюється. Можна також помітити, що при встановленні більшої температури швидкість молекул зростає швидше, також факт наближення швидкостей молекул в двох останніх випадках майже до того ж самого значення.

Досліджуючи залежність швидкості молекул від часу при встановленні різних відстаней між пластинками, одержуємо аналогічний до попереднього випадку результат. Єдина відмінність у тому, що при збільшенні відстані між пластинками швидкість молекул зростає трохи повільніше.

У випадку аналізу графіків побудованих при встановленні різної кількості молекул, встановлюємо ту ж закономірність, що і в першому випадку. Також можна помітити, що графіки майже накладаються один на одного.

3) Обидвi пластинки закрiпленi, моделюється потiк газу в двовимiрнiй трубi. На екранi монiтора обчислюється i демонструється розподiл швидкостей шарiв газу мiж закрiпленими пластинками, обумовлений силами внутрiшнього тертя.

Аналогічно до попередніх дослідів можна продемонструвати характер зміни швидкостей молекул при зміні того чи іншого параметру. Аналізуючи одержані результати, можна помітити, що хоча розподіл швидкостей молекул в усіх випадках різний. Спільним лишається те, що максимальні швидкості мають молекули розміщені посередині між пластинками, мінімальні - біля пластинок.

Таким чином, дана лабораторна робота дає можливість наочно продемонструвати явище в'язкості, що може бути використано як під час викладу нового матеріалу, так і під час виконання фізичного експерименту.