Виртуальный физический конструктор: компьютерные модели для школьного курса механики

Íèêîëüñêèé Äìèòðèé Þðüåâè÷ ×èðöîâ Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷

ÂÈÐÒÓÀËÜÍÛÉ ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÉ ÊÎÍÑÒÐÓÊÒÎÐ: ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÌÎÄÅËÈ ÄËß ØÊÎËÜÍÎÃÎ ÊÓÐÑÀ ÌÅÕÀÍÈÊÈ â áîëåå àêêóðàòíîì è õóäîæåñòâåííîì èñïîëíåíèè. Èìåííî íà ýòîì ïóòè âîçìîæíî ñóùåñòâåííîå ïðîäâèæåíèå, ñâÿçàííîå ñ ïðèìåíåíèåì âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè. ×èñëî ôèçè÷åñêèõ çàäà÷, äîïóñêàþùèõ Ðîëü êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå, âåñüìà îãðàíèâ îáó÷åíèè ôèçèêå ìíîãîêðàòíî îáñóæ÷åíî, è ýòè îãðàíè÷åíèÿ íåðåäêî âûçâàíû äàëàñü íà ñòðàíèöàõ æóðíàëà. Áåç âñÿêî÷èñòî ìàòåìàòè÷åñêèìè òðóäíîñòÿìè. Äàæå ãî ñîìíåíèÿ, ôèçèêà ïî ñóùåñòâó ÿâëÿåòâ òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ýòè òðóäíîñòè ïðèíñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé íàóêîé, è êàêèåöèïèàëüíî ïðåîäîëèìû, ïîëíîå âîñïðîëèáî ïîïûòêè âûòåñíåíèÿ ðåàëüíîãî ëåêèçâåäåíèå â àóäèòîðèè õîäà ðåøåíèÿ çàöèîííîãî èëè ëàáîðàòîðíîãî ýêñïåðèäà÷è îêàçûâàåòñÿ äàëåêî íå âñåãäà âîçìåíòà êîìïüþòåðíûìè àíèìàöèÿìè ÿâëÿìîæíûì èç-çà îãðàíè÷åííîãî âðåìåíè ëåêþòñÿ íåäîïóñòèìûìè ñ òî÷êè çðåíèÿ ñàöèè, ãðîìîçäêîñòè âûêëàäîê èëè íåäîñòàìîé èäåîëîãèè ïðåäìåòà. Íà íàø âçãëÿä, òî÷íîé ìàòåìàòè÷åñêîé ïîäãîòîâêè ñàìîé ê êîìïüþòåðíîìó ìîäåëèðîâàíèþ â ôèçèàóäèòîðèè îáó÷àåìûõ.  óêàçàííûõ ñèòóêå ñëåäóåò îòíîñèòüñÿ àöèÿõ êàæåòñÿ âïîëíå íå êàê ê àëüòåðíàòèâå ïðàâîìåðíûì èñïîëüôèçè÷åñêîìó ýêñïåðèçîâàíèå ÷èñëåííîãî ìåíòó, à êàê ê ïðèíðåøåíèÿ çàäà÷ â ðåöèïèàëüíî íîâîìó, ñîàëüíîì âðåìåíè çàíÿâðåìåííîìó âàðèàíòó òèÿ, ÷òî ñóùåñòâåííî òðàäèöèîííîé êëàññðàñøèðÿåò ÷èñëî ôèíîé äîñêè è ìåëà. Ïîçè÷åñêèõ ïðîáëåì, äîâèäèìîìó, íèêòî íå ñòóïíûõ äëÿ îáñóæäåîñìåëèòñÿ óòâåðæäàòü, íèÿ íà êîëè÷åñòâåí÷òî âûïèñûâàåìûå íîì, à íå êà÷åñòâåíïðåïîäàâàòåëåì ìàòåíîì óðîâíå. Îòñóòìàòè÷åñêèå âûêëàäêè, ñòâèå ïðè òàêîì ðåðèñóíêè è ñõåìû øåíèè îêîí÷àòåëüíîâðåäíû, òàê êàê íå äåãî àíàëèòè÷åñêîãî âûìîíñòðèðóþò àóäèòîðàæåíèÿ íå äîëæíî ðèè ðåàëüíûõ ÿâëåíèé ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ïðèðîäû. Òî÷íî òàê ÿâíûé íåäîñòàòîê, ïîæå íå äîëæíû âûçûñêîëüêó äàæå â ñëó÷àå âàòü ïðèíöèïèàëüíûõ ïîëó÷åíèÿ êîíå÷íîé âîçðàæåíèé è äåìîíàíàëèòè÷åñêîé ôîðìóñòðàöèè ñ ïîìîùüþ ...ïîëíîå âîñïðîèçâåäåíèå â àóäèòîðèè ëû òåîðåòè÷åñêîå ðàñêîìïüþòåðà òåõ æå õîäà ðåøåíèÿ çàäà÷è îêàçûâàåòñÿ äàëåêî ñìîòðåíèå îáû÷íî çà÷åðòåæåé è ôîðìóë, íî íå âñåãäà âîçìîæíûì... êàí÷èâàåòñÿ ðèñîâàÊÎÍÖÅÏÖÈß ÏÐÈÌÅÍÅÍÈß ÌÎÄÅËÈÐÓÞÙÈÕ ÏÐÎÃÐÀÌÌ ÏÎ ÔÈÇÈÊÅ, ÎÐÈÅÍÒÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÍÀ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅ Â ÓÄÀËÅÍÍÎÌ ÎÁÓ×ÅÍÈÈ

42

íèåì áîëåå íàãëÿäíûõ ìàñøòàáîâ ÿâëåíèÿ, ãðàôèêîâ. Êîìïüþòåðåãî îïàñíîñòè äëÿ íàÿ æå âèçóàëèçàöèÿ àóäèòîðèè èëè äîðîðåçóëüòàòîâ ìîæåò áûòü ãîâèçíû åãî ïîñòàíîâñäåëàíà åùå áîëåå íàêè (óñêîðèòåëü çàðÿãëÿäíîé è ïðè íåîáõîæåííûõ ÷àñòèö, äâèäèìîñòè – ïðèáëèæåíæåíèå êîñìè÷åñêèõ íîé ê ðåàëüíî ïðîòåòåë, çàäà÷è áàëëèñòèêàþùåìó ÿâëåíèþ. êè).  òàêèõ ñëó÷àÿõ Ñóùåñòâóåò åùå êàæåòñÿ äîïóñòèìîé îäèí íåìàëîâàæíûé çàìåíà ðåàëüíîãî ýêàñïåêò, ñâÿçàííûé ñ ñïåðèìåíòà íà êîìïüèñïîëüçîâàíèåì êîìþòåðíóþ ìîäåëü èëè, ïüþòåðíûõ ìîäåëåé åñëè ýòî âîçìîæíî, âèïðè àóäèòîðíîì îáóäåîçàïèñü òîãî æå ýê÷åíèè. Ïîêàç êîìïüþñïåðèìåíòà. òåðíûõ àíèìàöèé, ñîÅùå îäíîé ìåçäàâàåìûõ íà îñíîâå òîäè÷åñêè îïðàâäàíðåçóëüòàòîâ ÷èñëåííîíîé âîçìîæíîñòüþ èñãî ìîäåëèðîâàíèÿ (à ïîëüçîâàíèÿ ÷èñëåííå «ìóëüòôèëüìîâ» â íûõ ýêñïåðèìåíòîâ â âèäå àíèìèðîâàííûõ îáó÷åíèè ôèçèêå ÿâGIF-ôàéëîâ!), äàþò ëÿåòñÿ áëîê äåìîíñòïðåïîäàâàòåëþ óíèðàöèé íà òåìó «êàê Êîìïüþòåðíàÿ æå âèçóàëèçàöèÿ êàëüíóþ âîçìîæíîñòü áû ïðîòåêàëî èçó÷àåðåçóëüòàòîâ ìîæåò áûòü ... âèçóàëèçàöèè âñåãäà ìîå ÿâëåíèå, åñëè áû ïðèáëèæåííîé ê ðåàëüíî ïðîòåêàþùåìó óïðîùåííîé ïî ñðàâçàêîíû ôèçèêè áûëè ÿâëåíèþ... íåíèþ ñ ðåàëüíîñòüþ äðóãèìè», òî åñòü äåòåîðåòè÷åñêîé ìîäåëè. Òàêèì îáðàçîì, ìîíñòðàöèÿ ìîäåëåé ïðèíöèïèàëüíî íåíàèáîëåå öåëåñîîáðàçíîé ñõåìîé îáó÷åâîçìîæíûõ â ðåàëüíîñòè (èëè êðàéíå ìàíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì êîìïüþòåðíîãî ìîëîâåðîÿòíûõ) ÿâëåíèé ïðèðîäû. Àâòîðó äåëèðîâàíèÿ â ôèçèêå ïðåäñòàâëÿåòñÿ ñëåíå íóæíî îáëàäàòü áîëüøîé ôàíòàçèåé, äëÿ äóþùàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü: äåìîíñòðàöèÿ òîãî ÷òîáû ïðåäñòàâèòü ñåáå îñíîâíûå àððåàëüíîãî ýôôåêòà â «æèâîì» ýêñïåðèãóìåíòû êðèòèêè ïî ïîâîäó ñêàçàííîãî ìåíòå, ïðîñòåéøåå òåîðåòè÷åñêîå ðàññìîòñî ñòîðîíû ïðîòèâíèêîâ èñïîëüçîâàíèÿ ðåíèå, äîïóñêàþùåå àíàëèòè÷åñêîå îïèêîìïüþòåðà â îáó÷åíèè ôèçèêå. (Ïðè ýòîì ñàíèå, êîìïüþòåðíàÿ àíèìàöèÿ ýòîé ïðîíóæíî áûòü ðåàëèñòîì è ïîíèìàòü, ÷òî ðåñòåéøåé ìîäåëè, ïîýòàïíîå óñëîæíåíèå òåàëüíîé êðèòèêè âîîáùå ñêîðåå âñåãî íå îðåòè÷åñêîé ìîäåëè, ñîïðîâîæäàåìîå êîìáóäåò õîòÿ áû ïîòîìó, ÷òî ýòè ïðîòèâíèïüþòåðíûìè èëëþñòðàöèÿìè ðåçóëüòàòîâ êè, êñòàòè âåñüìà ìíîãî÷èñëåííûå, ïðîòàêîãî ïîýòàïíîãî ïðèáëèæåíèÿ ê ðåàëüñòî íå áóäóò ÷èòàòü æóðíàë, ïîñâÿùåííûé íîñòè. Ðàçóìååòñÿ, ïðèâåäåííàÿ ñõåìà òàê èñïîëüçîâàíèþ êîìïüþòåðîâ â îáó÷åíèè). æå âåñüìà èäåàëèçèðîâàíà, êàê è ëþáàÿ Íåñìîòðÿ íà êàæóùóþñÿ àáñóðäíîñòü èäåè äðóãàÿ ñõåìà. Âîçìîæíû è íåèçáåæíû ñóäåìîíñòðàöèè çàâåäîìî íåðåàëüíûõ ñèòóùåñòâåííûå âàðèàöèè â çàâèñèìîñòè îò àöèé, â òðàäèöèîííîì (íåêîìïüþòåðíîì) ñïåöèôèêè èçó÷àåìîãî ìàòåðèàëà. Òàê, íåîáó÷åíèè ôèçèêå ïðåïîäàâàòåëè ñðàâíèòðóäíî ïðåäñòàâèòü ñèòóàöèþ, â êîòîðîé òåëüíî ÷àñòî îáðàùàþòñÿ ê òàêîìó ïðèðåàëüíûé ýêñïåðèìåíò â àóäèòîðíûõ óñåìó, îñóùåñòâëÿåìîìó õîòÿ áû â âîîáðàëîâèÿõ âîîáùå îêàçûâàåòñÿ íåâîçìîæíûì æåíèè ó÷àùèõñÿ. Òàê, ïðè èçó÷åíèè çàèç-çà âðåìåííûõ èëè ïðîñòðàíñòâåííûõ êîíîâ Íüþòîíà, òðóäíî óäåðæàòüñÿ îò ñî-

43

áëàçíà ïðåäëîæèòü ó÷àùèìñÿ ïðåäñòàâèòü èäåÿ îêàçàëîñü âåñüìà ñîçâó÷íîé ïðåäëîñåáå ïàäàþùåå íà Çåìëþ ÿáëîêî, ìàññà æåíèþ Öåíòðà Èíôîðìàòèçàöèè Îáðàçîêîòîðîãî ñðàâíèìà ñ ìàññîé ïëàíåòû.  âàíèÿ ïî ñîçäàíèþ â ñåòè Èíòåðíåò «âèðïîñëåäíèå ãîäû ñòàëè ïîïóëÿðíûìè îëèìòóàëüíîãî ìóçåÿ» è «âèðòóàëüíîãî âûñòàïèàäíûå çàäà÷è î äâèæåíèè òåëà, áðîøåíâî÷íîãî çàëà ïî ôèçèêå», â ÷àñòíîñòè. Ê íîãî ïîä óãëîì ê ãîðèçîíòó íà «îäíîì èç íàñòîÿùåìó âðåìåíè íàìè ðàçðàáîòàíà îñòðîâîâ Áåðìóäñêîãî òðåóãîëüíèêà», ãäå Java-âåðñèÿ ïðîãðàììû «Âèðòóàëüíûé êîíâåêòîð óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ñòðóêòîð ôèçè÷åñêèõ ñèòóàöèé», è íà åå íàêëîíåí ê âåðòèêàëè [5]. Ïðè èçó÷åíèè áàçå ñîçäàí áëîê âèðòóàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ ïðîáëåìû íåîáðàòèìîñòè â òåðìîäèíàìèäåìîíñòðàöèé ïî èçó÷àåìûì â øêîëüíîì êå êàæåòñÿ âåñüìà ïîëåçíîé äåìîíñòðàêóðñå ôèçèêè òåìàì «Çàêîíû Íüþòîíà», öèÿ ðàáîòû äåìîíà Ìàêñâåëëà èëè êàêî«Êèíåìàòèêà ðàâíîóñêîðåííîãî äâèæåíèÿ», ãî-ëèáî äðóãîãî âå÷íîãî äâèãàòåëÿ âòîðî«Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ». ãî ðîäà. Ïðè ÷òåíèè ëåêöèé î ãðàâèòàöèè òðàäèöèîííî áîëüøîé èíòåðåñ ó àóäèòî«ÂÈÐÒÓÀËÜÍÛÉ ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÉ ðèè âûçûâàåò îáñóæäåíèå ïðîáëåìû ýâîÊÎÍÑÒÐÓÊÒÎл – ëþöèè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â ñëó÷àå ãðàÏÐÎÃÐÀÌÌÀ ÄËß ÑÎÇÄÀÍÈß âèòàöèîííûõ âçàèìîäåéñòâèé, óáûâàþùèõ ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÕ ÀÍÈÌÀÖÈÉ ñ ðàññòîÿíèåì ïî çàêîíó, îòëè÷íîìó îò çàêîíà îáðàòíûõ êâàäðàòîâ. Âñå ýòè è ìíîÎïûò ñîçäàíèÿ è èñïîëüçîâàíèÿ ìîãèå äðóãèå «ÿâëåíèÿ» ëåãêî ìîãóò áûòü äåëèðóþùèõ êîìïüþòåðíûõ ïðîãðàìì â âîñïðîèçâåäåíû íà êîìïüþòåðå. ó÷åáíîì ïðîöåññå ïîêàçàë äâà ñîâåðøåíÏðèíöèïèàëüíî èíîé ïîäõîä ê îïíî îáÿçàòåëüíûõ óñëîâèÿ, áåç âûïîëíåíèÿ ðàâäàííîñòè êîìïüþòåðíîãî ýêñïåðèìåíêîòîðûõ íå ïðèõîäèòñÿ ðàññ÷èòûâàòü íà òà ñêëàäûâàåòñÿ â ñëó÷àå óäàëåííîãî îáóèõ èñïîëüçîâàíèå: ïðîñòîòà èíòåðôåéñà ÷åíèÿ. Íåòðóäíî ïðåäñòàâèòü ñåáå ðåàëüè îòêðûòîñòü ïðîãðàììû äëÿ ñîçäàíèÿ íóþ ñèòóàöèþ íà ìåñòàõ, ãäå ïîëíîñòüþ ïîëüçîâàòåëåì ñâîèõ îðèãèíàëüíûõ âåðîòñóòñòâóåò êàêîå-ëèáî äåìîíñòðàöèîííîå ñèé ÷èñëåííîãî ýêñïåðèìåíòà. îáîðóäîâàíèå è ôèçè÷åñêàÿ ëàáîðàòîðèÿ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âîçìîæíîñòåé ñî òàêîé ñèòóàöèè ïðåäñòàâëÿåòñÿ äîïóñçäàíèÿ ãèáêèõ êîìïüþòåðíûõ ìîäåëåé, òèìûì âåñüìà øèðîêîå èñïîëüçîâàíèå êîìäîïóñêàþùèõ èõ ñóùåñòâåííîå ïåðåîïðåïüþòåðà äëÿ âèðòóàëüíûõ ëåêöèîííûõ äåäåëåíèå ïðåïîäàâàòåëåì èëè ó÷àùèìñÿ â ðåàëüíîì âðåìåíè çàíÿòèé, â òîì ÷èñëå – ìîíñòðàöèé, ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò. Ïðè ýòîì ïðîâîäèìûõ â ðåæèâåñüìà æåëàòåëüíî ìå óäàëåííîãî äîñòóñîïðîâîæäàòü òàêèå ïà, íàìè áûëà ðàçðàâèðòóàëüíûå ýêñïåáîòàíà îðèãèíàëüíàÿ ðèìåíòû åñëè íå âèJava-âåðñèÿ ïðîãðàìäåîçàïèñÿìè ðàáîòû ìû «Ôèçè÷åñêèé ðåàëüíîé óñòàíîâêè, êîíñòðóêòîð». Èäåîòî õîòÿ áû èõ ôîòîëîãèÿ ïîñòðîåíèÿ ãðàôèÿìè. ïðîãðàììû è åå èíÏåðå÷èñëåíòåðôåéñ ðàçðàáàòûíûå ñîîáðàæåíèÿ âàëèñü â õîäå ñîçäàïðèâåëè ê èäåå íèÿ ïðåäøåñòâóþîðãàíèçàöèè öèêëà ùèõ íåñåòåâûõ âåððàáîò ïî ñîçäàíèþ ñèé, îðèåíòèðîâàíâèðòóàëüíîé ôèçèíûõ íà ðàáîòó â îïå÷åñêîé ëàáîðàòîðèè ðàöèîííûõ ñèñòåìàõ äëÿ ó÷àùèõñÿ ñòàð...êàê áû ïðîòåêàëî èçó÷àåìîå ÿâëåíèå, DOS è WINDOWS. øèõ êëàññîâ. Ýòà åñëè áû çàêîíû ôèçèêè áûëè äðóãèìè...

44

äóþùèõ öåíòðàëüíûõ ñèë: ãðàâèòàöèîííûõ, ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ, êâàçèóïðóãèõ ñ âÿçêèì çàòóõàíèåì è ñèë, ïðîèçâîëüíî îïðåäåëÿåìûõ àíàëèòè÷åñêèìè âûðàæåíèÿìè. Äëÿ âèçóàëèçàöèè îáúåêòîâ êëàññà «ôèçè÷åñêèå òåëà» ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ãðàôè÷åñêèå ïðèìèòèâû, ôàéëû â ôîðìàòå GIF, àíèìèðîâàííûå GIFû. Ïîìèìî êëàññîâ, ìîäåëèðóþùèõ «ôèçè÷åñêèå îáúåêòû», â êîíñòðóêòîð ââåäåí äîïîëíèòåëüíûé äî÷åðíèé êëàññ, îðèåíòèðîâàííûé íà âèçóàëèçàöèþ àíàëèòè÷åñêèõ âûðàæåíèé. Åãî ïðåäñòàâèòåëè íå ïîäâåðãàþòñÿ ñè...íàìè áûëà ðàçðàáîòàíà îðèãèíàëüíàÿ Java-âåðñèÿ ëîâûì âîçäåéñòâèÿì ñî ñòîïðîãðàììû «Ôèçè÷åñêèé êîíñòðóêòîð»... ðîíû âíåøíèõ ïîëåé è äðóãèõ îáúåêòîâ, à ïåðåìåùàþòñÿ â ïðîñòðàí ñåòåâîé âåðñèè ïðîãðàììû, ïîäñòâå â ñîîòâåòñòâèè ñ çàäàííûìè ïîëüçîäåðæèâàþùåé âîçìîæíîñòü åå èñïîëüçîâàòåëåì èëè àâòîðîì äåìîíñòðàöèè àíàâàíèÿ êàê íà èíäèâèäóàëüíîì êîìïüþòåëèòè÷åñêèì âûðàæåíèåì. Îñíîâíîå íàçíàðå, òàê è ÷åðåç Internet, çàëîæåí ïðèìå÷åíèå ýòèõ îáúåêòî⠖ îáåñïå÷åíèå âîçíåííûé íàìè ðàíåå ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ ìîæíîñòè íàãëÿäíîãî ñîïîñòàâëåíèÿ ïðè÷èñëåííîé ìîäåëè ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû, áëèæåííûõ àíàëèòè÷åñêèõ ðåøåíèé ñ áîðàññìàòðèâàåìîé êàê ñîâîêóïíîñòü ïîïàðëåå òî÷íûìè ÷èñëåííûìè ìîäåëÿìè ðåàëüíî âçàèìîäåéñòâóþùèõ äðóã ñ äðóãîì ïðîíîé ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû. ãðàììíûõ îáúåêòîâ, ïðèíàäëåæàùèõ ê  êà÷åñòâå âíåøíèõ ïîëåé ìîãóò êëàññàì «ôèçè÷åñêèå òåëà», «âíåøíèå çàäàâàòüñÿ ýëåêòðè÷åñêèå, ìàãíèòíûå, ãðàïîëÿ» è «îêíà îòîáðàæåíèÿ ðåçóëüòàòîâ âèòàöèîííûå è îïðåäåëÿåìûå ïîëüçîâàòå÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ». ëåì ïîëÿ âñåâîçìîæíûõ ïðîñòðàíñòâåííîÊëàññ «ôèçè÷åñêèå òåëà» âêëþ÷àåò âðåìåííûõ êîíôèãóðàöèé (ïîñòîÿííûå, â ñåáÿ îáúåêòû, ìîäåëèðóþùèå àáñîëþòïåðåìåííûå âî âðåìåíè, ïðîñòðàíñòâåííî-òâåðäûå ñôåðû ïðîèçâîëüíîãî ðàäèóíî íåîäíîðîäíûå). Âîçìîæíî çàäàíèå ïîñà (â òîì ÷èñëå – íóëåâîãî), âçàèìîäåéëåé, çàâèñÿùèõ îò ñêîðîñòè (íàïðèìåð, ñòâóþùèå äðóã ñ äðóãîì è âíåøíèìè ïîñèë âÿçêîãî òðåíèÿ). Íàáîð ïðåäîñòàâëÿëÿìè è äâèæóùèåñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ êëàñåìûõ ïîëüçîâàòåëþ ìàòåìàòè÷åñêèõ ôóíñè÷åñêèìè èëè ðåëÿòèâèñòñêèìè çàêîíàêöèé ïîçâîëÿåò òàêæå çàäàâàòü âñåâîçìîæìè. Âîçìîæåí ó÷åò ïîòåðü ìåõàíè÷åñêîé íûå óïðóãèå è íåóïðóãèå ïîâåðõíîñòè ýíåðãèè çà ñ÷åò èçëó÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòðàçëè÷íûõ ãåîìåòðè÷åñêèõ êîíôèãóðàöèé. íûõ âîëí. Äëÿ îòîáðàæåíèÿ ðåçóëüòàòîâ ìîäåÂçàèìîäåéñòâèå ìåæäó îáúåêòàìè ëèðîâàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ äâà îêíà: äâóìåðìîæåò «âêëþ÷àòüñÿ» èëè «âûêëþ÷àòüñÿ» íîé ãðàôèêè è 3D-àíèìàöèé.  ãðàôè÷åñïîïàðíî, ïî óñìîòðåíèþ àâòîðà äåìîíñòêîì îêíå ðåçóëüòàòû ÷èñëåííîãî ìîäåëèðàöèè èëè ïîëüçîâàòåëÿ. Äëÿ êàæäîé ïàðû ðîâàíèÿ îòîáðàæàþòñÿ â âèäå ãðàôèêîâ, âçàèìîäåéñòâóþùèõ îáúåêòîâ äîïóñòèìî ïî îñÿì êîîðäèíàò êîòîðûõ îòêëàäûâàèñïîëüçîâàíèå ëþáîé êîìáèíàöèè èç ñëå-

45

þòñÿ âåëè÷èíû, çàäàâàåìûå ïîëüçîâàòåëåì (âðåìÿ, êîîðäèíàòû, ñêîðîñòè, óñêîðåíèÿ, èìïóëüñû è ò.ä.). Îêíî 3D-àíèìàöèè ñëóæèò äëÿ ïðèáëèæåííîãî ê ðåàëüíîñòè îòîáðàæåíèÿ ìîäåëèðóåìîé ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû. Ïîëüçîâàòåëþ ïðåäîñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü èçìåíÿòü ìàñøòàáû ïî îñÿì êîîðäèíàò, à òàêæå èçìåíÿòü îðèåíòàöèþ â ïðîñòðàíñòâå êîîðäèíàò âìåñòå ñ ìîäåëèðóåìîé ñèñòåìîé. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ìîæåò áûòü íàçíà÷åí ðåæèì ñîõðàíåíèÿ òðàåêòîðèé äâèæóùèõñÿ îáúåêòîâ. Ðåàëèçóþùàÿ ïåðå÷èñëåííûå âîçìîæíîñòè ìîäåëèðóþùàÿ ïðîãðàììà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öèêë, âíóòðè êîòîðîãî êàæäûé èç îáúåêòîâ ïîñëåäîâàòåëüíî îïðàøèâàåò âñåõ ñâîèõ ïàðòíåðîâ ïî âçàèìîäåéñòâèÿì (ðåøåíèå î âêëþ÷åíèè èëè íåâêëþ÷åíèè â ìàòåìàòè÷åñêóþ ìîäåëü ðàññìàòðèâàåìîé ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû òîãî èëè èíîãî ïàðíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðèíèìàåòñÿ àâòîðîì êîìïüþòåðíîãî ýêñïåðèìåíòà íà ýòàïå ñîçäàíèÿ åãî ñöåíàðèÿ) è îáìåíó èíôîðìàöèåé î âçàèìíîì ñîñòîÿíèè îáúåêòîâ (íàïðèìåð, ìåæäó ìîäåëèðóþùèì ôèçè÷åñêîå òåëî ïðîãðàììíûì îáúåêòîì è îòîáðàæàþùèì åãî äâèæåíèå îêíîì). Õî÷åòñÿ îñîáî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðè ðàçðàáîòêå äàííîé ñðåäû íàìè ñòàâèëàñü çàäà÷à ñîçäàíèÿ ñèñòåìû, ÿâëÿþùåé ñîáîé íåêîòîðóþ àëüòåðíàòèâó òðàäèöèîííûì äëÿ ïðåïîäàâàíèÿ ìåòîäàì çàïèñè è ðåøåíèÿ óðàâíåíèé äâèæåíèÿ, à íå ïðîãðàììû âèðòóàëüíîé ôèçè÷åñêîé ðåàëüíîñòè. Òàêèì îáðàçîì, íèêàêîãî àâòîìàòè÷åñêîãî êîíòðîëÿ çà ôèçè÷åñêîé îñìûñëåííîñòüþ ñîçäàâàåìîé àâòîðîì ìîäåëè ðåàëüíîé ñèñòåìû óìûøëåííî íå ïðåäóñìîòðåíî. Âñÿ îòâåòñòâåííîñòü çà àäåêâàò-

íîñòü âûáðàííîé ìîäåëè êîìïüþòåðíîãî ýêñïåðèìåíòà ïîëíîñòüþ ëåæèò íà åãî àâòîðå (íàïðèìåð, ïðîãðàììà äîïóñêàåò äåìîíñòðàöèþ äâèæåíèÿ çàðÿæåííîé ÷àñòèöû â ïðîñòðàíñòâåííî íåîäíîðîäíûõ, ïåðåìåííûõ âî âðåìåíè, ýëåêòðè÷åñêîì è ìàãíèòíîì ïîëÿõ, ñîâîêóïíîñòü êîòîðûõ ïðîòèâîðå÷èò ñèñòåìå óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà). Ïðåäâèäÿ âîçìîæíóþ êðèòèêó ïî ýòîìó ïîâîäó, õî÷åòñÿ íàïîìíèòü, ÷òî ïðè ïðîâåäåíèè çàíÿòèé â òðàäèöèîííîé ôîðìå ïîäîáíûé êîíòðîëü ïðàâèëüíîñòè èçëîæåíèÿ ìàòåðèàëà òàêæå ÿâëÿåòñÿ äåëîì ëåêòîðà è àóäèòîðèè. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîïûòêè åãî àâòîìàòèçàöèè ñóùåñòâåííî ñóçèëè áû âîçìîæíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ. Òàê, â ïàêåòå ìàòåðèàëîâ ïî ãðàâèòàöèè îêàçàëèñü áû íåâîçìîæíûìè ìíîãèå ìåòîäè÷åñêè ïðèâëåêàòåëüíûå êîìïüþòåðíûå äåìîíñòðàöèè, òàêèå, íàïðèìåð, êàê ìîäåëèðîâàíèå äâèæåíèÿ ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû â ñëó÷àå íåáîëüøèõ îòêëîíåíèé ãðàâèòàöèîííûõ âçàèìîäåéñòâèé îò çàêîíà îáðàòíûõ êâàäðàòîâ. Íàêîíåö, ñ òî÷êè çðåíèÿ ñàìûõ îáùèõ ïîçèöèé, ïðîãðàììíûé êîíòðîëü ïðàâèëüíîñòè âûáîðà ôèçè÷åñêîé ìîäåëè ÿâëÿåòñÿ àáñóðäíîé çàäà÷åé, ïîñêîëüêó ëþáàÿ ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü ÿâëÿåòñÿ íå áîëåå ÷åì ïðèáëèæåíèåì ê ðåàëüíîñòè è, ñëåäîâàòåëüíî, äîëæíà áûòü îòáðîøåíà êîíòðîëèðóþùåé ïðîãðàììîé. ÂÈÐÒÓÀËÜÍÛÅ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÛ ÏÎ ÊÓÐÑÓ ÊËÀÑÑÈ×ÅÑÊÎÉ ÌÅÕÀÍÈÊÈ

 íàñòîÿùåå âðåìÿ ñîçäàí íàñ÷èòûâàþùèé îêîëî ñòà åäèíèö ðåñóðñîâ ïàêåò óäàëåííûõ âèðòóàëüíûõ ëåêöèîííûõ äåìîíñòðàöèé, ëàáîðàòîðíûõ ýêñïåðèìåíòîâ è çàäà÷ ïî êóðñó êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè, îðèåíòèðîâàííîìó íà ó÷àùèõñÿ ñòàðøèõ êëàññîâ. Ïàêåò ñîñòîèò èç ñëåäóþùèõ áëîêîâ: – ñâîéñòâà ðàâíîìåðíîãî ...íèêàêîãî àâòîìàòè÷åñêîãî êîíòðîëÿ çà ôèçè÷åñêîé è ðàâíîóñêîðåííîãî äâèîñìûñëåííîñòüþ ñîçäàâàåìîé àâòîðîì ìîäåëè ðåàëüíîé æåíèÿ; ñèñòåìû óìûøëåííî íå ïðåäóñìîòðåíî...

46

– âçàèìîäåéñòâèÿ â ïðèðîäå; – îïðåäåëåíèå ñèëû è âòîðîé çàêîí Íüþòîíà; – òðåòèé çàêîí Íüþòîíà; – ñèëà òÿæåñòè; – äâèæåíèå òåëà, áðîøåííîãî âåðòèêàëüíî ââåðõ; – äâèæåíèå òåëà, áðîøåííîãî ïîä óãëîì ê ãîðèçîíòó; – çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ; – çàêîíû Êåïëåðà; – äâèæåíèå êîñìè÷åñêèõ òåë, íå îïèñûâàåìîå çàêîíàìè Êåïëåðà; – íåâåñîìîñòü. Êàæäûé èç áëîêîâ ñîïðîâîæäàåòñÿ êðàòêîé ãèïåðòåêñòîâîé ñïðàâêîé, ñîäåðæàùåé âàæíåéøèå ôîðìóëû è òåêñòîâóþ èíôîðìàöèþ â îáúåìå, ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóþùåì òðåáîâàíèÿì âñòóïèòåëüíûõ ýêçàìåíîâ ïî ôèçèêå äëÿ òåõíè÷åñêèõ ÂÓÇîâ. Îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ ñïðàâêè èëëþñòðèðóþòñÿ 5–6 êîìïüþòåðíûìè ýêñïåðèìåíòàìè-äåìîíñòðàöèÿìè, â êîòîðûõ îáó÷àåìîìó îòâåäåíà äîñòàòî÷íî ïàññèâíàÿ ðîëü íàáëþäàòåëÿ. Ïî ìåðå óñëîæíåíèÿ è óãëóáëåíèÿ ïðåäëàãàåìîãî äëÿ èçó÷åíèÿ ìàòåðèàëà âîçðàñòàåò ÷èñëî çàäàíèé, îðèåíòèðîâàííûõ íà áîëåå òâîð÷åñêóþ, àêòèâíóþ ðàáîòó ó÷àùåãîñÿ ñ êîìïüþòåðîì. Âûïîëíåíèå òàêèõ çàäàíèé ïî ñóùåñòâó ñâîäèòñÿ ê íàáëþäåíèþ çà ïîâåäåíèåì ìîäåëèðóåìîé ñèñòåìû ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ 2–3 åå ïàðàìåòðîâ, èç-

Íèêîëüñêèé Äìèòðèé Þðüåâè÷, âûïóñêíèê ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÑÏáÃÓ. ×èðöîâ Àëåêñàíäð Ñåðãååâè÷, êàíäèäàò ôèç.-ìàò. íàóê, äåêàí ôèçè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà ÑÏáÃÓ.

ìåíÿåìûõ â ðåàëüíîì âðåìåíè äèàëîãà ñ êîìïüþòåðîì. Äëÿ îáëåã÷åíèÿ äîñòóïà ïîëüçîâàòåëÿ ê óïðàâëåíèþ ýòèìè ïàðàìåòðàìè íà ïàíåëü óïðàâëåíèÿ âûâîäÿòñÿ ñïåöèàëüíûå îêíà ñ äèàëîãàìè ïî çàäàíèþ âåëè÷èí èìåííî ýòèõ, íàèáîëåå âàæíûõ äëÿ ïîíèìàíèÿ ñóùíîñòè èçó÷àåìîãî ÿâëåíèÿ, ïàðàìåòðîâ. Îñîáûé êëàññ ìåõàíè÷åñêèõ ìîäåëåé ñîñòàâëÿþò êîìïüþòåðíûå çàäà÷è, ìíîãèå èç êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ ñâîåîáðàçíûì ðàçâèòèåì èäåé è çàäà÷ ïðåäëàãàâøèõñÿ íà ðàéîííûõ è ãîðîäñêèõ îëèìïèàäàõ ïî ôèçèêå äëÿ ñòàðøåêëàññíèêîâ. Ñîçäàííûå çàäà÷è ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çàäàíèÿ íà íàõîæäåíèå òàêèõ ïàðàìåòðîâ âèðòóàëüíîãî ýêñïåðèìåíòà, ïðè êîòîðûõ ïîâåäåíèå ìîäåëèðóåìîé ñèñòåìû ñîîòâåòñòâóåò îïèñàííîé â óñëîâèè ñèòóàöèè. Íàêîíåö, ïîñëåäíèé òèï ó÷åáíûõ ðåñóðñîâ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäàíèÿ íà ðàçðàáîòêó ó÷àùèìñÿ ñâîèõ îðèãèíàëüíûõ êîìïüþòåðíûõ äåìîíñòðàöèé, îðèåíòèðîâàííûõ íà èëëþñòðèðîâàíèå ñôîðìóëèðîâàííîãî â óñëîâèè óòâåðæäåíèÿ. Êàê ïðåäñòàâëÿåòñÿ àâòîðàì, èìåííî òàêîé ðîä äåÿòåëüíîñòè ó÷àùèõñÿ äîëæåí îáåñïå÷èòü óäîâëåòâîðåíèå èõ åñòåñòâåííîé ïîòðåáíîñòè ê òâîð÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè è íåïðåìåííî òðåáóåò íå òîëüêî âåñüìà ãëóáîêèõ çíàíèé, íî è ïîíèìàíèÿ ìàòåðèàëà. Ñ ðàáî÷åé âåðñèåé ïðîãðàììû ìîæíî ïîçíàêîìèòüñÿ íà ñàéòå www.spin.nw.ru.

ÍÀØÈ

ÀÂÒÎÐÛ

47