Компьютерное моделирование в курсе "Электричество и Магнетизм"

Курсовая работа по МПФ Компьютерное моделирование опыта Милликена 4 ? 1995 - 1 - ОГЛАВЛЕНИЕ ст. 1. Введение 3 а Актуальность темы дипломной работы 3 б Цели работы 4 в Научная новизна результатов дипломной работы 4 г Научная и практическая ценность 5 д Вклад автора 5 е Реализация 5 ж Апробация и публикации 6 з Краткое содержание и структура 6 Глава 1. Физические основы исследуемых процессов 1.1 Электрический колебательный контур 1.2 Опыт Милликена 1.3 Скин-эффект в цилиндрической геометрии 1.4 Скин-эффект в плоской геометрии 26 Глава 2. Математические методы исследования физических процессов 2.1 Типы задач для обыкновенных дифференциальных уравнений 31 2.2 Задача Коши. Метод Рунге-Кутты 2-го порядка 2.3 Метод Рунге-Кутты 4 порядка 2.4 Краткие сведения о функциях Бесселя 2.5 Краткие сведения о функциях Кельвина 46 Глава 3. Использование ЭВМ в учебном процессе 3.1 Роль ЭВМ в обучении физики 3.2 Методы использования ЭВМ в обучении 3.3 Моделирование физических процессов на ЭВМ 3.4 Краткое описание программ 55 Заключение 56 Приложения 57 Литература 66 Введение Актуальность темы дипломной работы Дипломная работа посвящена разработке демонстрационных программ для применения в процессе преподавания физики как в школах и среднеспециальных учебных заведениях, так и в высших учебных заведениях. Насыщенность школ современной вычислительной техникой еще не приводит к большим переменам в образовании, если учитель не подготовлен ни психологически, ни профессионально к внедрению ЭВМ в его жизнь.

В настоящее время накоплен большой опыт применения вычислительной техники в физических исследованиях, выработаны общие методические подходы решения основных физических проблем и можно констатировать факт, что сложился новый предмет - вычислительная физика, которая составной частью современной физики наряду с общей физикой и теоретической физикой и входит в стандарт образования по физики.

Основным методом исследования вычислительной физики является компьютерный эксперимент, теоретической базой которого служит математическое моделирование, а экспериментальной базой - ЭВМ. Компьютерное моделирование интегрирует такие предметы, как теоретическая физика, численный анализ и программирование.

На сегодняшний день в процессе преподавания физики очень многие важные явления и опыты не могут быть реализованы в виде демонстраций в силу их сложности, а их объяснение требует от преподавателя больших художественных возможностей. Именно поэтому появилась тенденция создания компьютерных программ для моделирования подобных процессов 1-7 . Теперь преподаватель, заранее подобрав исходные данные, может по ходу объяснения демонстрировать все возможные варианты развития процесса не затрачивая массу времени на приемлемое изображение установки, самого эксперимента, сопутствующих графиков.

Кроме того, такие программы могут быть также2 0 использованы в лабораторном практикуме с дополнительными заданиями разного уровня сложности, а в совокупности с прилагаемыми описаниями и для самостоятельного изучения материала.

Целями дипломной работы являлись - исследование моделируемых процессов на предмет получения конечных аналитических решений, пригодных для создания на их основе демонстрационных программ, а в случае их отсутствия построение алгоритмов решения на основе численных методов - создание демонстрационных программ на основе полученных решений - создания лабораторных работ на основе разработанных программ и ряда разноуровневых заданий к ним - апробация созданных лабораторных работ 2 0на2 0 физическом факультете ТГПУ им. Л.Н. Толстого в курсе методики преподавания физики Научная новизна результатов дипломной работы В работе впервые - Созданы демонстрационные программы для моделирования процессов в электрическом колебательном контуре, опыта Милликена, скин-эффекта - Для скин-эффекта получено решение в виде комбинации функций Кельвина - Показана роль фазового дополнительного слагаемого в решении для скин-эффекта - Показано, что в электрическом колебательном контуре на графике зависимости энергии от времени существуют плато, соответствующее нулевому току и проведена аналогия с механическими колебаниями Научная и практическая ценность В работе проведен теоретический анализ исследуемых процессов и создан ряд моделирующих программ.

Как теоретические результаты, так и компьютерные программы дипломной работы могут быть использованы в процессе преподавания физики в различных учебных заведениях и при самостоятельном изучении данного материала.

Вклад автора В работах, результаты которых выносятся на защиту и выполненных совместно с научным руководителем, автором внесен должный вклад в постановку задач, выбор методов исследования, теоретический анализ, выбор методов реализации и интерпретацию результатов.

Реализация результатов работы Полученные в результате теоретического анализа аналитические решения были реализованы автором в виде демонстрационных программ для машин класса IBM PC AT и совместимых, работающих под управлением - MS-DOC версии 5.0 и последующих - MS-WINDOWS версий 3.1 и 3.11 RUS . Программы реализованы с помощью компиляторов - Turbo Pascal 6.0 - Turbo Pascal 7.0 и при использовании графических пакетов - BGI International - Дизайнер. Демонстрационные программы используются в курсе преподавания физики на физическом факультете ТГПУ им. Л.Н.Толстого и могут быть использованы в других учебных заведениях.

Апробация и публикации Основные результаты докладывались опубликованы в тезисах докладов Всероссийского с участием стран СНГ совещания-семинара Применение средств вычислительной техники в учебном процессе, изд-во УГТУ, Ульяновск 1995 г. 23 Материалы работы докладывались и обсуждались также на студенческих научных конференциях в ТГПУ 24 . Краткое содержание и структура Структура.

Дипломная работа состоит из введения, трех глав, приложения, заключения, содержит 55 страниц машинописного текста, 12 рисунков, список цитируемой литературы включает 24 наименования.

Во Введении. обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель, излагается краткое содержание работы по главам и перечисляются результаты, являющиеся новыми.

Кроме того говорится о реализации и апробации проделанной работы.

Глава 1. дипломной работы посвящена теоретическому исследованию моделируемых процессов. Глава 2. посвящена описанию математических методов, необходимых для теоретического исследования и моделирования. ВГлаве 3. рассматриваются методические вопросы, касающиеся как применения ЭВМ в учебном процессе в целом, так и конкретно применение разработанных программ.

Заключение. посвящено подведению итогов проделанной работы. ВПриложении. приводятся необходимые схемы, рисунки и графики. Глава 1

Физические основы исследуемых процессов

76 6 6 F4st0 G F4арх0 0 1.2.1 F4st0 G-F4арх0 1.2.2 F4st0 67ph0aV4G0, 1... Схема установки Милликена приведена на рис. Проведем строгое решение задачи о движении заряженной частицы в электр... При достаточно высоких значениях напряженности электромагнитного поля,... при r76 0 поле не может бесконечно возрастать const410 0, следовательн...

Скин-эффект в плоской геометрии

Для наблюдения этого эффекта нужно сравнить графики в программах skin.... решения аналогичны цилиндрическим. Интересен предел высоких частот 7w6... Глава 2 Математические методы исследования процессов 2.1 . Окончательно получим E4z0 r, t A e52y0 e5-2y0 2cos2y 51 20cos 7w0t 7f0... Следовательно решение уравнения можно записать в виде E x A e5ikx0 e5-...

Типы задач для обыкновенных дифференциальных уравнений

Локальная погрешность схем 2.2.5 имеет 3-й порядок, глобальная 2-й т.е. 2.4.15 2.5 . 2.4Краткие сведения о функцияхБесселя. В первом случае формула 2.2.5 приобретает вид y x400 h y400 h f400 f x... после аппроксимации правой части ОДУ f x, y получено семейство схем Ру...

Краткие сведения о функциях Кельвина

2.4.20 7 4 0254r 20 2r 1 ! 52 4r 0 Асимптотические представления 8,9 7... Глава 3 . Краткие сведения о функциях Кельвина. Функции Кельвина или функции Том...

Использование ЭВМ в учебном процессе

Использование ЭВМ в учебном процессе . 3.1

Роль ЭВМ в обучении физики

Это, в скором будущем, позволит исключить использование такой громоздк... 9,10,11 Однако неправильно считать ЭВМ всесильными. Их применение всег... Основой обучения физики должно быть непосредственное специально органи... реализовать разноуровневость в обучении 2 освободить учителя от моното... 3 развивать у учеников методы самостоятельной работы. Кроме того, позв...

Методы использования ЭВМ в обучении

3.3 . в Видеофрагмент - это очень короткий 4-5 мин. 2 Информационное средство. ЭВМ можно использовать как хранилище видео ... б Фрагментарный видеофильм состоит из нескольких частей, каждая из кот... б Контролирующее средство. Это различного рода тестовые программы и эл...

Моделирование физических процессов на ЭВМ

Каждая модель физического процесса должна отвечать следующим требовани... 3.4 . ЭВМ позволяет создать широкий спектр программных средств и активно исп... Вместе с тем нужно отметить, что самая совершенная модель не может пол... Для изучения того ил иного явления в физике очень часто используется т...

Краткое описание программ

Программы предназначены для работы в диалоговом режиме и дают пользова... Краткое описание программ. На основе проведенного теоретического анали... В системе ссылок указана. Ученику изначально предложены варианты данных при которых явление лучш...

Литература

Литература к которой можно обратиться для более подробного изучения материала. В процессе работы ученика на экране представлена вся необходимая для работы информация. На основе программ созданы лабораторные работы, которые в настоящее время используются на физическом факультете ТГПУ им. Толстого на кафедре общей физики в курсе методики преподавания физики. Описания лабораторных работ прилагаются к дипломной работе.

Заключение В ходе выполнения дипломной работы - проведен теоретический анализ моделируемых процессов - выявлены новые эффекты - на основе полученных решений созданы демонстрационные программы - на основе разработанных программ созданы лабораторные работы - лабораторные работы опробованы на физическом факультете ТГПУ им. Л.Н.Толстого в курсе методики преподавания физики. В дальнейшем автор предпологает продолжать работу в данном направлении. В частности ведется разработка генератора контрольных работ для средней школы.

Приложение Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Рис. 6 Рис. 12 Список используемой литературы. 1. Бурсиан Э.В. Задачи по физике для компьютера Учебное пособие для студентов физ мат. факультетов пед. институтов, М. Просвещение, 1991, 256 с. 2. Тезисы докладов VI координационного совещания-семинара преподавателей физических дисциплин педагогических ВУЗов Центральной зоны МО РФ Коломна, 21-23 сентября 1993 г. 3. Тезисы докладов II научно-методической конференции Использование научно-технических достижений в демонстрационном эксперименте и в постановке лабораторных пракикумов , Саранск, 17-19 мая 1994 г. 4. Тезисы докладов 3 Всеросийского с участием стран СНГ совещния-семинара Применение средств вычислительной технки в учебном процессе кафедр физики, высшей и прикладной математики , Ульяновск, 12 сентября 1995 г. изд-во УГТУ, Ульяновск 1995. 5. Гулд Х Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике, М Мир,1990 г. 6. Информатика и образование , 3-6, 1995 г. 7. Физика в школе , 4, 1994 г. 8. Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш, Специальные функции формулы, графики, таблицы , Москва Наука, 1977, ст. 176-245, 262-284. 9. Математическая энциклопедия, Москва Наука 1985, Т. 2 стр. 846,Т. 5 стр. 819-825. 10. Калиткин Н.Н Численные методы, М. Наука, 1978, ст.246-250. 11. Калашников С.Г Электричество, М. Наука ,1985, 576 с. 12. Физическая энциклопедия, Москва Наука, 1995, Т. 3, 4. 13. Савельев И.В Курс физики, М. Наука, 1981, Т.1 493 с. 14. Сивухин Д.В Общий курс физики , М. Наука 1977, Т.3, 687 с. 15. Ландау Л.Д Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, М. Наука 1982 Т.8,Т.10 16. Шпольский Э.В Атомная физика, Т.1,М.Наука 1984, 14-20 с. 17. Бугаев А.И Методика преподавания физики в средней школе теоретические вопросы , Москва 1981. 18. Камке Е Справочник по дифференциальным уравнениям6 М. Наука, 1979. 19. Филимонов С.Р Судьба классического закона, Библиотека Квант, выпуск 79, 1989, 65-82 с. 20. Хорошавин С.А Техника и технология демонстрационного эксперимента М. Просвещение, 1978, 78-79 с. 21. Лекционный демонстрационный эксперимент под ред. Ивероновой, М. Просвещение, 1976, 89 с. 22. Шахмаев Н.М Павлов Н.И Тыщук В.И Физический эксперимент в средней школе, М. Просвещение, 1979, ч 1-2. 23. Городько А.Б Романов Р.В Компьютерное моделирование процессов в электрическом колебательном контуре, тезисы докладов 3 Всеросийского с участием стран СНГ совещ ния-семинара Применение средств вычислительной технки в учебном пр цессе кафедр физики, высшей и прикладной математики , Ульяновск, 12- сентября 1995 г. изд-во УГТУ, Ульяновск 1995, ч.2, с.28-29. 24. Городько А.Б Романов Р.В Компьютерное моделирование опыта Милликена в курсе электромагнетизма, Тезисы XXII Толстовских чтений.

Рис. 7 Рис. 8.