Компьютерное моделирование в лабораторном практикуме по физике

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО ФИЗИКЕ

М.Ю. Демина, Л.С. Полугрудова

Коми филиал Кировской государственной медицинской академии, г. Сыктывкар, Россия Сыктывкарский лесной институт - филиал Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени

С.М. Кирова, г.Сыктывкар, Россия

Лабораторный практикум занимает особое место в процессе обучения физике по программе технического вуза. Содержание и форма физического практикума

определяются как набором дидактических задач, возложенных на него, так и во многом организационными возможностями кафедры и ее учебных лабораторий. Обычная форма организации практикума при очном и заочном обучении - это проведение занятия в течение 4 часов преподавателем с подгруппой студентов 12-16 человек, разбитой на бригады по 2-4 человека в каждой. Каждой бригаде предоставляется своя экспериментальная установка (стенд).

Качественная организация учебного процесса требует, чтобы лабораторные работы в практикуме проводились «фронтально», т. е. темы работ для каждого занятия должны соответствовать

прорабатываемому в данный момент учебному материалу. На следующем занятии экспериментальные установки должны быть, как правило, другими, так как универсальные установки разработать и изготовить очень трудно и дорого. Очевидна значительная трудоемкость изготовления и содержания такого количества стендов, а также высокая стоимость их приобретения.

Многие вузы, как в России, так и за рубежом, находят выход в отказе от фронтального практикума. В этом случае необходимое количество стендов

уменьшается в несколько раз. Однако студентам, особенно обучающимся на первом курсе, сложно выполнять работы, темы которых к моменту занятия не рассматривались в лекционном курсе.

Применение компьютеров в

лабораторном практикуме по курсу физики значительно улучшает ситуацию и позволяет при разумных материальных затратах, доступных любому вузу, обеспечить необходимое качество (в первую очередь, фронтальность) обучения и решение основных дидактических задач практикума при любых формах обучения (очной, заочной, дистанционной и экстернате).

Кроме того, в образовательных системах большинства развитых стран существует

система дистанционного (распределенного, нелокализованного) обучения. Проблема лабораторного практикума по курсу физики для такого обучения стоит весьма остро и, видимо, не может быть решена без

разработки компьютерного варианта, т. е. виртуального физпрактикума.

Использование компьютерных моделей в универсальном физпрактикуме становится неизбежным, поскольку универсальным

будет только такой практикум, который

приспособлен к работе при любой форме организации учебы (очно, заочно, дистанционно и т. д.). С другой стороны, применение лабораторных работ с компьютерными моделями в составе стационарного физпрактикума, наряду с работами, использующими реальные экспериментальные установки, позволит существенно улучшить качество обучения, обеспечив фронтальность работы при разумных материальных затратах.

Необходимость внедрения лабораторных работ по курсу физики, использующих компьютерное моделирование,

подтверждается и тем фактом, что во многих отраслях промышленности, и в частности на современных самолетах и автомобилях, широко применяются системы индикации, моделирующие на экране монитора табло реальных измерительных устройств.

На кафедре физики Сыктывкарского лесного института созданы и используются в физическом практикуме следующие лабораторные работы по атомной и ядерной физике с применением компьютерного моделирования: «Опыт Франка и Герца», «Определение коэффициента поглощения 0-, ^-лучей веществом», «Определение периода полураспада и постоянной распада

химического элемента», «Определение

размеров атомных ядер», «Дифракция электронов на отверстии» [3].

Программа для работы «Опыт Франка и Герца» моделирует процесс бомбардировки атомов ртути потоком электронов заданной энергии. В программе создан интерфейс упрощенной схемы экспериментальной

установки классического опыта Д. Франка и Г. Герца, подтверждающего дискретность

энергетических уровней атомов. Для изображения некоторых деталей (реостат) использовались обработанные фотографии реальных приборов. Изменение напряжения между катодом и сеткой осуществляют перемещением ползунка на полосе прокрутки рядом с реостатом. Визуально это приводит к перемещению подвижного контакта реостата. Значения электрического тока и напряжения введены в программу на основе экспериментальных данных, полученных Франком и Герцем, и отражаются около линий, имитирующих стрелки

измерительных приборов. При достижении критических потенциалов возбуждения ртути происходит резкое падение анодного тока, визуально это отражается вспышкой. Вспышка не является реальным отражением эксперимента, а показывает, что достигнут экстремум функции ДЦ). В программе параллельно с выполнением опыта в отдельном окне записываются значения тока и напряжения, и строится график зависимости 1( Ц).

Графический модуль программ в работах «Определение коэффициента поглощения ¡-, у-лучей веществом» [1] и «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» [2] моделирует установки, имитирующие работу счетчика элементарных частиц.

При загрузке исполняемого файла в рабочем окне появляется изображение свинцового «домика», таймера и регистрирующего устройства, выполняется имитация установки радиоактивного препарата в свинцовый «домик».

Внутреннее устройство «свинцового домика» соответствует реальным

экспериментальным установкам,

применяемым в ядерной физике, и может быть просмотрено при нажатии кнопки «Схема установки».

Интерфейс рабочего окна создан таким образом, что клик левой кнопкой мыши визуально отражает «включение» и «выключение» кнопок: «Сеть», «Сброс»,

«Пуск», «Стоп». Нажатием кнопки «Сеть» включаются таймер и счетчик. Кнопка «Пуск» запускает рабочий режим счетчика, кнопка «Стоп» останавливает работу счетчика, и кнопка «Сброс» обнуляет его показания.

Расчетная часть программы в работе «Определение коэффициента поглощения ¡-, у-лучей веществом» позволяет выбирать материал и толщину пластинки,

поглощающей радиоактивное излучение. Количество частиц, зарегистрированных счетчиком, моделируется законом

поглощения излучения веществом, поэтому показания счетчика зависят от материала и толщины пластинки, поставленной между препаратом и счетчиком.

Программа предусматривает применение следующих поглощающих материалов: свинец, алюминий и медь. По полученным значениям вычисляются коэффициенты поглощения материалами ¡- и у- лучей, и выполняется их сравнение. В результате выполнения работы определяется вещество, наиболее эффективно поглощающее ¡-, улучи.

В работе «Определение периода

полураспада и постоянной распада химического элемента» моделируется явление радиоактивного распада.

В расчетной части программы заданы характеристики семи радиоактивных

изотопов. Изотопы подобраны таким образом, чтобы период полураспада был сопоставим со временем наблюдения.

Программа позволяет выбирать для опыта радиоактивный изотоп и задавать массу образца из интервала 0,01-1,0 мг.

В программе предусмотрены два разных режима счета. В первом режиме работы

в течение приблизительно 15 мин количество распадающихся ядер регистрируется каждую минуту.

В действительности устройство счетчиков ионизирующих излучений требует некоторого промежутка времени для восстановления способности среды к газовому разряду. Второй режим работы более реально отражает работу ионизационных счетчиков.

В этом случае счетчик регистрирует импульсы в течение 1-й минуты; затем он выключается (таймер продолжает работать), показания счетчика обнуляются. Счетчик снова включают с началом 3-й минуты и т. д. Таким образом, чередуется минута работы счетчика с минутой отдыха.

После выполнения экспериментальной части работы определяется скорость распада и методом наименьших квадратов постоянная распада химического элемента. Вычисляется период полураспада данного радиоактивного элемента и полученное значение сравнивается с табличным значением периода полураспада.

В лабораторной работе по определению размеров атомных ядер [4] используется

метод бомбардировки вещества быстрыми нейтронами. Программа позволяет выбирать материал мишени, ее толщину и оценивать число испущенных и прошедших через пластинку нейтронов. Далее студенты вычисляют эффективное сечение ядра и его радиус. Эксперимент выполняется для

мишеней с различной атомной массой, поэтому в работе проводится также проверка соотношения между атомной массой вещества и радиусом ядра соответствующего

химического элемента.

Моделирующий эксперимент в работе по дифракции микрочастиц проводится на виртуальной установке, представляющей систему счетчиков, регистрирующих

электроны, прошедшие отверстие (щель). Счетчики установлены на одинаковом расстоянии от щели

с равными угловыми интервалами в диапазоне от 0° до 30°. Вероятность попадания электрона в конкретный счетчик пропорциональна волновой функции частицы. При работе программы производится подсчет числа срабатываний счетчиков. Число частиц, участвующих в эксперименте, задается произвольно.

Технические требования для

выполнения представленных лабораторных работ минимальны. Работы проводятся на компьютере с операционной системой Windows 98 и выше, никаких специальных требований к программному обеспечению не предъявляется.

В зависимости от компьютерного обеспечения учебного заведения

лабораторные работы могут выполняться студентами индивидуально в качестве текущей работы физпрактикума, а также

фронтально группой студентов в компьютерном классе.

Для создания компьютерных программ по физическим лабораторным работам и физическому эксперименту привлекаются студенты Сыктывкарского лесного института специальности

«Информационные системы в лесном комплексе». Подобная практика усиливает интерес к предмету, повышает мотивацию обучения, расширяет взаимосвязь изучаемой дисциплины с приобретаемыми

профессиональными навыками студента.

Литература

1. Демина М.Ю., Ванеев А.В., Столыпко В.А. Лабораторная работа по физике «Определение коэффициента поглощения у- и 0- лучей веществом» с применением компьютерного моделирования. М., 2003. Гос. регистр. № 50200300889 от 3.10.2003.

2. Демина М.Ю., Ванеев А.В., Столыпко В.А. Лабораторная работа по физике «Определение периода полураспада и постоянной распада химического элемента» с применением компьютерного моделирования. М., 2003. Гос. регистр.

№ 50200300890 от 3.10.2003.

3. Демина М.Ю., Полугрудова Л.С. Комплекс лабораторных работ по атомной и ядерной физике с применением компьютерного моделирования // Новые информационные технологии в образовании «НИТО-Байкал»: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. Улан-Удэ, 2008. С. 110-113.

4. Демина М.Ю., Полугрудова Л.С., Тутринов В.А. Лабораторная работа по физике «Определение размеров атомных ядер» с применением компьютерного моделирования. М., 2008. Гос. регистр. № 50200801674 от 8.08.2008.