А.В. Тюкин

РУКОВОДСТВО К КОМПЬЮТЕРНЫМ ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

ПО ФИЗИКЕ

Учебно  методическое пособие

Омск  2009

Федеральное агентство по образованию

ГОУВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

А.В. Тюкин

РУКОВОДСТВО К КОМПЬЮТЕРНЫМ ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ

Учебно  методическое пособие

Омск

СибАДИ

2009

УДК 53

ББК 22.3

Р85

Рецензенты:

канд. физ. - мат. наук, доцент С.В. Данилов (ОмГТУ);

канд. физ. - мат. наук, доцент И.А. Прудникова (ОмГАУ)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебно  методического пособия для инженерных специальностей.

Тюкин А.В.

Р85 Руководство к компьютерным лабораторным работам по физике: Учебно  методическое пособие  перераб. и доп. / сост.: А.В. Тюкин.  Омск: СибАДИ, 2009 .  94 с.

ISBN 978 - 5 - 93204 - 450 - 6

Предлагаемое руководство предназначено для подготов­ки к выполнению, проведению и защите компьютерных ла­бораторных работ по курсу общей физики, созданных на ка­федре физики СибАДИ.

Может быть использовано для проведения лабораторных занятий со студентами очного и заочного отделений, для са­мостоятельного и углубленного изучения курса физики в техническом вузе.

Табл. 41. Ил. 34 . Библиогр.: 6 назв.

ISBN 978 - 5 - 93204 - 450 - 6  ГОУ «СибАДИ», 2009

Введение

Необходимость и плодотворность широкого внедрения ЭВМ во все виды учебного процесса в настоящее время не вызывают сомнения и никем серьезно не оспариваются. Но эффективно внедрение ЭВМ, если четко опре­делены не только общие цели и задачи их применения, но и конкретные цели, достигаемые на каждом занятии за счет использования ЭВМ, по сравнению с традиционным пре­подаванием.

Разумеется, компьютерные средства обучения, модели­рующие реальный эксперимент, никогда не вытеснят его из физического практикума. Однако как часть учебного про­цесса и сопровождение его основного традиционного курса компьютерные лабораторные работы (КЛР) могут частично снять проблему ухудшения материальной базы кафедры, повысить активность студента, индивидуальность обуче­ния.

Важно, чтобы компьютеризация учебного процесса не заслоняла физическое содержание изучаемого курса, а на­оборот, за счет экономии времени способствовала углуб­ленному изучению физических явлений. Именно поэтому внедрение ЭВМ в учебный процесс должно быть методиче­ски обосновано. Иначе говоря, должны быть четко опреде­лены оптимальный объем, форма и последовательность внедрения ЭВМ во все виды учебных занятий.

Мы рекомендуем проводить 1 или 2 КЛР в семестре. КЛР благодаря легкости изменения параметров в широких пределах позволяют студенту хорошо усвоить теоретиче­ский закон, «почувствовать» формулу, запомнить вид зави­симости.

При организации компьютерного обучения на кафедре мы сделали акцент на использование собственных про­граммных продуктов. Это связано с несколькими причина­ми: во-первых, собственные программы легко приспособить к конкретному виду занятия, к конкретному препода­вателю, ведущему его; во-вторых, учет погрешностей чис­ленных методов, использованных в собственной программе, сделать легче; в-третьих, исключаются сбои, связанные с программным обеспечением.

Программы имеют сходный интерфейс, снабжены спра­вочной информацией по порядку работы с ней, в каждой работе имеется возможность узнать теоретические сведе­ния, относящиеся к данному разделу физики, а также зада­ния к лабораторной работе. Вся информация продублиро­вана в данном методическом материале.

Приведем краткую характеристику описываемых про­граммных продуктов:

1. Колебания. Программа моделирует колебания одно­мерного пружинного маятника и маятника из двух пружин. Одновременно с выдачей на экран картинки для колеба­тельной системы выдаются график зависимости смещения от времени, траектории движения маятника при различном соотношении частот пружин и начальных фаз колебаний.

2. Термодинамика. Программа рассчитывает термоди­намические параметры газа (р,Т,V,S), а также работу, тепло­ту и изменение внутренней энергии при проведении раз­личных процессов.

3. Термодинамика циклических процессов. Программа рассчитывает термодинамические параметры газа (р, Т, V,S), а также работу, теплоту и изменение внутренней энергии при проведении различных циклических процессов.

4. Электростатика. Производится расчет напряженности и потенциала поля в конкретной точке, показываются сило­вые линии и эквипотенциальные поверхности при произ­вольном распределении зарядов.

5. Движение заряженных частиц в электромагнитном поле. Программа моделирует поведение частицы, влетаю­щей в электромагнитное поле произвольной конфигурации.

На экране показывается траектория движения частицы, вы­даются графики, с помощью которых можно определить численные характеристики траектории.

6. Дифракция Фраунгофера. Производится расчет ди­фракционной картины на одной щели, дифракционной ре­шетке, круглом диске и круглом отверстии. На экран выда­ется график зависимости интенсивности света от угла ди­фракции.

7. Водородоподобный атом. Программа позволяет рас­считать скорость электрона, его энергию и радиус вращения для водородоподобных атомов по теории Бора.

8. Радиоактивность. Программа моделирует радиоак­тивный распад изотопа с заданным периодом полураспада, а также цепочку распадов в радиоактивном семействе U²³⁸, позволяя изучить закон радиоактивного распада и законо­мерности накопления изотопов при естественном распаде радиоактивных элементов.

9. Сложение цветов. В программе на основе системы RGB производится выбор желаемого цвета, имеется воз­можность увидеть оттенки цвета, дополнительный цвет, смешать один цвет с другим. Можно пересчитать координа­ты из системы RGB в систему XYZ для дальнейшего рас­чета по графику цветности.

10. Определение коэффициента внутреннего трения. Программа моделирует движение шарика в вязкой среде. Если движение шарика в жидкости равномерное, то сила сопротивления, обусловленная внутренним трением жидкости и действующая на шарик, определяется по закону Стокса. Из равенства сил, действующих на шарик, определяется коэффициент внутреннего трения вязкой среды.

Лабораторная работа № 1 (20К, 21 К)

Колебательное движение.

Методы решения задач механики

Цели работы: исследовать основные типы колебатель­ного движения с использованием программы, моделирую­щей колебания пружинного маятника. Убедиться в кор­ректности использования данного метода в случае одно - и двухмерных колебаний.

Основные теоретические сведения