Комплекс лекционных демонстраций и лабораторных работ по физике колебаний
Состав комплекса
Аннотация. В данном комплексе программ (Java-апплетов) предлагается использовать возможности компьютерного моделирования для изучения колебаний – важного раздела курса физики. Моделирующие программы комплекса «Физика колебаний» вместе с включенными в него методическими материалами предназначены для учебной студенческой лаборатории. Модульная структура комплекса допускает возможность изучения материала в разном объеме и с разной степенью глубины. Поэтому комплекс может быть легко адаптирован к конкретным условиям различных вузов. Программы можно с успехом использовать также для лекционных демонстраций.
В комплекс включены важные в принципиальном и практическом отношении вопросы собственных, вынужденных и параметрических колебаний в простых линейных и нелинейных физических системах (см. Состав комплекса).
Введение. Без преувеличения можно сказать, что колебания окружают нас всюду. Благодаря световым и акустическим колебаниям мы получаем большую часть информации об окружающем нас мире. Электромагнитные колебания (в частности, световые, или оптические колебания) лежат в основе всех современных электронных средств передачи и обработки информации. Значение колебательных процессов в природе и технике трудно переоценить.
Колебания в различных динамических системах могут иметь совершенно разную физическую природу. Но в то же время все они имеют много общего. Изучение общих закономерностей всех колебательных процессов составляет предмет теории колебаний.
Для облегчения понимания общих закономерностей колебательных процессов целесообразно начинать их изучение с наиболее наглядных примеров, в которых движение доступно непосредственному зрительному восприятию. Это прежде всего такие знакомые всем механические колебательные системы, как груз на пружине и простой маятник. Электромагнитным аналогом этих механических систем может служить замкнутая цепь, содержащая конденсатор и катушку индуктивности. Изменение во времени физических величин, характеризующих разные колебательные системы, описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями. Разобравшись в происходящих на наших глазах колебаниях в механической системе, по аналогии легко освоиться с закономерностями колебаний в электромагнитных и других системах, где все далеко не так наглядно.
В компьютерных программах моделируются разные способы возбуждения колебаний (собственные, вынужденные, параметрические колебания) в сравнительно простых линейных и нелинейных механических системах и их электромагнитных аналогах.
Состав комплекса демонстраций и лабораторных работ:
Моделирующие программы (Java-апплеты) выполняются непосредственно в браузере (с предустановленным Java-плагином) с определенными ограничеиями, вызванными требованиями обеспечения безопасности Вашего компьютера. Если на у Вас установлена Java 7 или Java 8, при попытке запуска Java-приложения генерируется сообщение:
Для добавления URL-адреса сайта в Список разрешенных сайтов выполните следующие шаги:
Возможности комплекса. Предлагаемые здесь компьютерные программы по существу представляют собой настольную лабораторию для изучения колебаний с помощью математических моделей сравнительно простых физических систем. Для компьютерного моделирования выбраны механические колебательные системы, потому что их движение можно непосредственно отобразить на экране. Моделирование позволяет получить наглядные, запоминающиеся иллюстрации изучаемых физических явлений во всей их динамике, воспроизвести тонкие детали явлений, ускользающие обычно при непосредственном наблюдении. Можно изменять временной масштаб, варьировать в широких пределах параметры и условия эксперимента, моделировать ситуации, недоступные для изучения в натурном эксперименте. Моделирующие программы позволяют строить графики временной зависимости описывающих систему переменных, получать фазовую траекторию, отображать энергетические превращения при колебаниях. Графический способ отображения результатов моделирования облегчает усвоение больших объемов получаемой информации.
Как работать с комплексом. При первом знакомстве с отдельными программами комплекса рекомендуется воспользоваться заранее заготовленными примерами, иллюстрирующими наиболее характерные виды колебаний моделируемой системы. Чтобы открыть список примеров, поставьте «галочку» в бокс, расположенный под изображением системы. При выборе примеров нужные значения параметров системы будут заданы автоматически. Программы позволяют наблюдать движение моделируемой ситемы в определенном временном масштабе, выбираемом из соображений удобства наблюдения с помощью регулятора задержки (внизу на панели управления слева от изображения системы). Можно построить графики зависимости от времени угла отклонения осциллятора (или маятника) и его угловой скорости, а также графики потенциальной, кинетической и полной энергии. Для отбражения графиков нужно поставить «галочки» в соответствующих местах на панели управления. При моделировании можно также вывести на экран фазовую траекторию и потенциальную яму осциллятора. Окна с графиками и фазовой траекторией можно поместить в любое удобное место на экране (перетаскивая мышью).
Параметры моделируемой системы и начальные условия моделирования (начальный угол отклонения и начальную угловую скорость) можно изменять с помощью панели ввода параметров, расположенной справа от изображения осциллятора. Значения параметров можно изменять либо при помощи соответствующих движков, либо непосредственно впечатывая нужные значения с клавиатуры (редактируя числовое поле). В последнем случае после окончания редактирования необходимо нажать клавишу «Ввод» (Enter). Модель воспримет измененные параметры после того, как Вы нажмете кнопку «Принять значения». Чтобы модель отображалась на темном фоне, поставьте «галочку» в боксе «Темный фон».
Перед выполнением каждой лабораторной работы рекомендуется изучить теоретический материал, изложенный в сопровождающем работу учебном пособии (соответствующий pdf-файл открывается с той же страницы, где помещен апплет с моделью системы). Пособие содержит также материалы, предназначенные для индивидуальных заданий студентам по указанию преподавателя. К каждой лабораторной работе в отдельном документе даны конкретные задания и порядок выполнения работы, вопросы для самоконтроля и требования к отчету.
В помощь преподавателю – статья «Лаборатория компьютерного моделирования» (19 стр.).
Выйти из такого затруднения можно с помощью добавления URL-адреса сайта с апплетом в Список разрешенных сайтов (Exception Site List ) Вашей операционной системы
Вместо апплетов Вы можете открыть (или загрузить на свой компьютер) исполняемый jar-файл (Java-архив) OscillationsR.jar, в котором упакованы все моделирующие программы данного пакета. Когда Вы запускаете этот файл на выполнение, появляется список доступных программ. Вы можете выбрать в нем нужную Вам программу и запустить ее одновременно с открытой web-страницей (из приведенного выше списка), содержащей описание моделируемой физической системы.
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ – ЛАБОРАТОРИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ