Комплекс виртуальных интерактивных установок для изучения законов сохранения энергии и импульса в механике

КОМПЛЕКС ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРАКТИВНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ИМПУЛЬСА В МЕХАНИКЕ

• ЭКСПЕРИМЕНТ
•  
• ВИРТУАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
•  
• ЛАБОРАТОРИЯ
•  
• БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАЯТНИК
•  
• ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
•  
• ИНТЕРАКТИВНОСТЬ

Комплекс виртуальных интерактивных установок предназначен для проведения лекционных демонстраций и лабораторных работ по разделу курса физики «Законы сохранения в механике». Программный комплекс может быть использован студентами физико-математических и технических специальностей высших учебных заведений, учебных заведений среднего профессионального образования, а также учащимися профильных классов школ. Интерактивные установки программного комплекса позволяют изучать законы сохранения энергии и импульса в механике в режиме реального времени. Для разностороннего рассмотрения изучаемых явлений и процессов предусмотрены возможности изменения многочисленных параметров с помощью интуитивно понятного интерфейса. Программный комплекс содержит шесть виртуальных моделей демонстраций, созданных на основе реально действующих установок, и может использоваться как при очном, так и при дистанционном изучении соответствующего раздела курса физики.

Похожие материалы

Внедрение компьютера непосредственно в процесс обучения является одним из наиболее перспективных направлений в настоящее время. Использование моделей различных физических явлений, созданных посредствам компьютера, является ярким тому доказательством [1, 5]. Под такими моделями понимаются компьютерные программы, которые имитируют физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации [6]. Компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить те детали протекающего процесса, которые часто ускользают от наблюдателя при наблюдении реального эксперимента [7, 8, 9]. Однако, как выяснилось, в большинстве образовательных учреждений отсутствует необходимый образовательный контент, так как его создание сопряжено с решением огромного числа задач в числе которых:

• Изучение существующих реальных установок курса физики «Механика» раздела законы сохранения энергии и импульса.
• Определение существенных характеристик моделей, присутствие которых в виртуальной установке должно быть строго обязательным.
• Составление математической модели физической установки, определение переменных.
• Создание объектов виртуальной лабораторной установки, разработка дизайна средствами компьютерной графики.
• Создание динамической визуализации установок, используя полученные ранее результаты, программу Macromedia Flash Professional со встроенным языком программирования Action Script 2.0 [2, 3, 4].
• Разработка эргономичного, комфортного интерфейса пользователя.

В результате проделанных этапов моделирования были созданы шесть виртуальных интерактивных установок имитирующих реальные физические процессы и позволяющие изучать законы сохранения энергии и импульса в механике в режиме реального времени:

1. Баллистический маятник. Неупругий удар».
2. Баллистический маятник. Неупругий удар под углом к горизонту».
3. Баллистический маятник. Упругий удар».
4. Баллистический двусторонний пистолет».
5. Выстрел из пушки под углом к горизонту».
6. Моделирование процессов упругого и неупругого ударов».

Виртуальная установка «Баллистический маятник. Неупругий удар» предназначена для моделирования неупругого удара баллистического маятника (рис. 1). Установка может быть использована для изучения законов сохранения энергии и импульса при неупругом столкновении баллистического маятника и пули и последующем его гармоническом колебании. Установка является интерактивной, имеется возможность изменения массы и скорости пули, массы груза баллистического маятника, а также ее длины. Установка работает в режиме реального времени, имеет динамические элементы, позволяя проводить измерения некоторых параметров, например угол отклонения маятника от положения равновесия после попадания в нее пули с помощью доступного для перемещения транспортира. На основе данной установки может быть получено решение множества обратных задач по количеству переменных модели.

Рисунок 1. Виртуальная установка для моделирования неупругого удара баллистического маятника

Виртуальная установка «Баллистический маятник. Неупругий удар под углом к горизонту» предназначена для моделирования неупругого удара баллистического маятника (рис. 2). Установка может быть использована для изучения законов сохранения энергии и импульса при неупругом столкновении баллистического маятника и пули, движущейся под углом к горизонту и последующем колебании маятника. Установка также работает в режиме реального времени, являясь интерактивной, позволяя изменять массу и скорости пули, массу груза баллистического маятника, а также ее длину.

Рисунок 2. Виртуальная установка для моделирования неупругого удара под углом к горизонту баллистического маятника

Виртуальная установка «Баллистический маятник. Упругий удар» предназначена для моделирования абсолютно упругого удара баллистического маятника и пули (рис. 3). Установка может быть использована для изучения законов сохранения энергии и импульса при неупругом столкновении баллистического маятника и пули и последующем его колебании. Установка является интерактивной, позволяя изменять многочисленные параметры процесса.

Рисунок 3. Виртуальная установка для моделирования упругого удара баллистического маятника

Виртуальная установка комплекса «Баллистический двусторонний пистолет» предназначена для моделирования движения тел различной массы под действием силы упругости пружины и силы тяжести (рис. 4). Установка может быть использована для изучения законов сохранения энергии и импульса и второго закона Ньютона в механике. Установка является интерактивной, работает в режиме реального времени позволяя изменять параметры пружины баллистического двустороннего пистолета, массы пуль, высоту нахождения пистолета. Все параметры процесса рассчитываются и выводятся на экране окна установки в режиме реального времени.

Рисунок 4. Виртуальная установка для моделирования работы двустороннего баллистического пистолета

Виртуальная установка комплекса «Выстрел из пушки под углом к горизонту» предназначена для изучения законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии двух тел (рис. 5). Установка является интерактивной, работает в режиме реального времени позволяя изменять массу, скорость и угол вылета снаряда, коэффициент трения пушки о поверхность. Установка имеет динамические элементы, позволяя проводить измерения некоторых параметров, например угол вылета. На основе данной установки также может быть получено решение множества обратных задач по количеству переменных модели.

Рисунок 5. Виртуальная установка для моделирования процесса выстрела из пушки под углом к горизонту

Виртуальная установка комплекса «Моделирование процессов упругого и неупругого ударов» также предназначена для изучения законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии двух тел (рис. 6). Установка является интерактивной, работает в режиме реального времени позволяя изменять массу, и начальную скорость, а также вид удара - упругий или неупругий. Все параметры тел (скорость, энергия и импульс) рассчитываются и выводятся на экране окна установки в режиме реального времени.

Рисунок 6. Виртуальная установка для моделирования процессов упругого и неупругого ударов

Созданный программный комплекс может быть использован студентами физико-математических и технических специальностей высших учебных заведений, учебных заведений среднего профессионального образования, а также учащимися профильных классов школ, где одним из предметов изучения является физика.

Список литературы

1. Захарова И. Г. Информационные технологии в образовании: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Академия, 2007. – 192 с.
2. Гурский Д. Action Script 2.0: программирование во Flash MX 2004. Для профессионалов. – СПб.: Питер, 2004. – 1088 с.
3. Слепченко К. Macromedia Flash Professional 8 на примерах. – Спб., БХВ Петербург, 2006. – 416 с.
4. Бергитта Х. Macromedia Flash 8. – М.: НТ Пресс, 2007. – 256 с.
5. Краснова Г.А., Беляев А.В., Соловов А.В. Технологии создания электронных средств / Г.А.Краснова, М. И. Беляев, А. В. Соловов. — М.: МГИУ, 2001. — 224 с.
6. Хамзин И. Р., Хасанова С. Л. Электронные интерактивные ресурсы – необходимый компонент образования. // Материалы Международной (заочной) научно-практической конференции «Проблемы теории и практики современной науки. — РИО ООО «Наука и образование». — 2015. — С. 129-130.
7. Девяткин Е.М., Хасанова С.Л., Чиганова Н.В. Комплекс электронных лабораторных установок по общей// Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=24956
8. Хасанова С.Л., Девяткин Е.М., Чиганова Н.В. Компбютерная модель виртуальной химической // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 9-2. – С. 360-364; URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36234
9. Чиганова Н.В., Хасанова С.Л., Девяткин Е.М. Технологии разработки электронно-образовательных// Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10-1. – С. 108-113; URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36287