Experiment pe calculator Experiment pe calculator Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție. experiment pe calculator
Experiment pe calculator Experiment pe calculator Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. În trecutul recent, un astfel de experiment ar putea fi realizat fie în condiții de laborator pe facilități special create pentru acesta, fie în natură, de exemplu. pe un eșantion real al produsului, supunându-l la tot felul de teste. Acest lucru necesită o mulțime de bani și timp. Simulările pe computer au venit în ajutor. Când se efectuează un experiment pe computer, se verifică corectitudinea modelelor de construcție. Comportamentul modelului este studiat pentru diverși parametri ai obiectului. Fiecare experiment este însoțit de o înțelegere a rezultatelor. Dacă rezultatele unui experiment pe calculator contrazic sensul problemei care se rezolvă, atunci eroarea trebuie căutată într-un model ales incorect sau în algoritmul și metoda de rezolvare. După identificarea și eliminarea erorilor, experimentul pe computer se repetă. Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. În trecutul recent, un astfel de experiment ar putea fi realizat fie în condiții de laborator pe facilități special create pentru acesta, fie în natură, de exemplu. pe un eșantion real al produsului, supunându-l la tot felul de teste. Acest lucru necesită o mulțime de bani și timp. Simulările pe computer au venit în ajutor. Când se efectuează un experiment pe computer, se verifică corectitudinea modelelor de construcție. Comportamentul modelului este studiat pentru diverși parametri ai obiectului. Fiecare experiment este însoțit de o înțelegere a rezultatelor. Dacă rezultatele unui experiment pe calculator contrazic sensul problemei care se rezolvă, atunci eroarea trebuie căutată într-un model ales incorect sau în algoritmul și metoda de rezolvare. După identificarea și eliminarea erorilor, experimentul pe computer se repetă.
Un model matematic este înțeles ca un sistem de corelații matematice de formule, ecuații de inegalități etc., care reflectă proprietățile esențiale ale unui obiect sau proces. Un model matematic este înțeles ca un sistem de corelații matematice de formule, ecuații de inegalități etc., care reflectă proprietățile esențiale ale unui obiect sau proces.
Probleme de modelare din diferite discipline Probleme de modelare din diferite discipline Economie Economia Economie Astronomie Astronomie Astronomie Fizică Fizică Ecologie Ecologie Ecologie Biologie Biologie Biologie Biologie Geografie Geografie Geografie
Fabrica de mașini, care vinde produse la prețuri contractuale, a primit o anumită sumă de venituri cheltuind o anumită sumă de bani pe producție. Determinați raportul dintre profitul net și fondurile investite. Fabrica de mașini, care vinde produse la prețuri contractuale, a primit o anumită sumă de venituri cheltuind o anumită sumă de bani pe producție. Determinați raportul dintre profitul net și fondurile investite. Enunțarea problemei Enunțarea problemei Scopul modelării este investigarea procesului de producție și vânzare a produselor pentru a obține cel mai mare profit net. Folosind formule economice, găsiți raportul dintre profitul net și fondurile investite. Scopul modelării este de a explora procesul de producție și vânzare a produselor pentru a obține cel mai mare profit net. Folosind formule economice, găsiți raportul dintre profitul net și fondurile investite.
Parametrii principali ai obiectului de simulare sunt: venit, cost, profit, profitabilitate, impozit pe profit. Parametrii principali ai obiectului de simulare sunt: venit, cost, profit, profitabilitate, impozit pe profit. Date inițiale: Date inițiale: venit B; venitul B; costuri (cost) S. costuri (cost) S. Vom găsi alți parametri folosind principalele dependențe economice. Valoarea profitului este definită ca diferența dintre venit și cost P=B-S. Vom găsi alți parametri folosind principalele dependențe economice. Valoarea profitului este definită ca diferența dintre venit și cost P=B-S. Rentabilitatea r se calculează prin formula:. Rentabilitatea r se calculează prin formula:. Profitul corespunzător nivelului marginal de rentabilitate de 50% este de 50% din costul de producție S, adică. S*50/100=S/2, deci impozitul pe profit N este definit după cum urmează: S*50/100=S/2, deci impozitul pe profit N este definit astfel: dacă r
Analiza rezultatelor Analiza rezultatelor Modelul rezultat permite, în funcție de rentabilitate, să se determine impozitul pe profit, să se recalculeze automat valoarea profitului net și să se găsească raportul dintre profitul net și fondurile investite. Modelul rezultat permite, în funcție de rentabilitate, să se determine impozitul pe profit, să se recalculeze automat suma profitului net și să se găsească raportul dintre profitul net și fondurile investite. Experimentul efectuat pe computer arată că raportul dintre profitul net și fondurile investite crește odată cu creșterea veniturilor și scade odată cu creșterea costului de producție. Experimentul efectuat pe computer arată că raportul dintre profitul net și fondurile investite crește odată cu creșterea veniturilor și scade odată cu creșterea costului de producție.
Sarcină. Sarcină. Determinați viteza planetelor pe orbita lor. Pentru a face acest lucru, faceți un model pe computer al sistemului solar. Enunțarea problemei Scopul simulării este de a determina viteza planetelor aflate pe orbită. Obiect de modelare Sistemul solar, ale cărui elemente sunt planetele. Structura internă a planetelor nu este luată în considerare. Vom considera planetele ca elemente cu următoarele caracteristici: nume; R este distanța de la Soare (în unități astronomice; unități astronomice este distanța medie de la Pământ la Soare); t este perioada de revoluție în jurul Soarelui (în ani); V este viteza de mișcare de-a lungul orbitei (unități astro/an), presupunând că planetele se mișcă în jurul Soarelui în cercuri cu o viteză constantă.
Analiza rezultatelor Analiza rezultatelor 1. Analizați rezultatele calculului. Se poate argumenta că planetele care sunt mai aproape de Soare au o viteză orbitală mai mare? 1. Analizați rezultatele calculului. Se poate argumenta că planetele care sunt mai aproape de Soare au o viteză orbitală mai mare? 2. Modelul prezentat al sistemului solar este static. Când am construit acest model, am neglijat modificările distanței de la planete la Soare în timpul mișcării lor orbitale. Pentru a ști care planetă este mai departe și care sunt relațiile aproximative dintre distanțe, aceste informații sunt destul de suficiente. Dacă vrem să determinăm distanța dintre Pământ și Marte, atunci nu putem neglija schimbările temporale, iar aici va trebui să folosim un model dinamic. 2. Modelul prezentat al sistemului solar este static. Când am construit acest model, am neglijat modificările distanței de la planete la Soare în timpul mișcării lor orbitale. Pentru a ști care planetă este mai departe și care sunt relațiile aproximative dintre distanțe, aceste informații sunt destul de suficiente. Dacă vrem să determinăm distanța dintre Pământ și Marte, atunci nu putem neglija schimbările temporale, iar aici va trebui să folosim un model dinamic.
Experiment pe computer Introduceți datele inițiale în modelul computerului. (De exemplu: =0,5; =12) Găsiți un astfel de coeficient de frecare la care mașina va merge la vale (la un unghi dat). Găsiți un astfel de unghi la care mașina va sta pe munte (pentru un coeficient de frecare dat). Care va fi rezultatul dacă forța de frecare este neglijată. Analiza rezultatelor Acest model computerizat vă permite să efectuați un experiment de calcul, în loc de unul fizic. Prin modificarea valorilor datelor inițiale, puteți vedea toate modificările care au loc în sistem. Este interesant de observat că, în modelul construit, rezultatul nu depinde nici de masa mașinii, nici de accelerația în cădere liberă.
Sarcină. Sarcină. Imaginați-vă că pe Pământ va exista o singură sursă de apă dulce - Lacul Baikal. Câți ani va furniza Baikal populației întregii lumi cu apă? Imaginați-vă că pe Pământ va exista o singură sursă de apă dulce - Lacul Baikal. Câți ani va furniza Baikal populației întregii lumi cu apă?
Dezvoltarea modelului Dezvoltarea modelului Pentru a construi un model matematic, să definim datele inițiale. Notă: Pentru a construi un model matematic, definim datele inițiale. Să notăm: V este volumul lacului Baikal km3; V este volumul lacului Baikal km3; N - populația Pământului 6 miliarde de oameni; N - populația Pământului 6 miliarde de oameni; p - consumul de apă pe zi per persoană (în medie) 300 litri. p - consumul de apă pe zi per persoană (în medie) 300 litri. De la 1l. = 1 dm3 de apă, este necesar să se transforme V din apa lacului din km3 în dm3. V (km3) \u003d V * 109 (m3) \u003d V * 1012 (dm3) Deoarece 1l. = 1 dm3 de apă, este necesar să se transforme V din apa lacului din km3 în dm3. V (km3) \u003d V * 109 (m3) \u003d V * 1012 (dm3) Rezultatul este numărul de ani pentru care populația Pământului folosește apele lacului Baikal, notat cu g. Deci, g=(V*)/(N*p*365) Rezultatul este numărul de ani pentru care populația Pământului folosește apele lacului Baikal, notăm g. Deci g=(V*)/(N*p*365) Iată cum arată foaia de calcul în modul de afișare a formulei: Iată cum arată foaia de calcul în modul de afișare a formulei:
Sarcină. Sarcină. Pentru producerea vaccinului, este planificată creșterea unei culturi de bacterii la plantă. Se știe că dacă masa bacteriilor este x g, atunci într-o zi va crește cu (a-bx)x g, unde coeficienții a și b depind de tipul de bacterie. Planta va colecta zilnic m g de bacterii pentru nevoile producției de vaccin. Pentru a întocmi un plan, este important să știți cum se schimbă masa bacteriilor după 1, 2, 3, ..., 30 de zile.Pentru producerea unui vaccin, este planificată creșterea unei culturi de bacterii la plantă. . Se știe că dacă masa bacteriilor este x g, atunci într-o zi va crește cu (a-bx)x g, unde coeficienții a și b depind de tipul de bacterie. Planta va colecta zilnic m g de bacterii pentru nevoile producției de vaccin. Pentru a întocmi un plan, este important să știți cum se modifică masa bacteriilor după 1, 2, 3, ..., 30 de zile ..
Enunțarea problemei Enunțarea problemei Obiectul modelării este procesul de schimbare a populației în funcție de timp. Acest proces este influențat de mulți factori: mediul, starea asistenței medicale, situația economică din țară, situația internațională și multe altele. Rezumând datele demografice, oamenii de știință au derivat o funcție care exprimă dependența populației de timp: Obiectul modelării este procesul de schimbare a populației în funcție de timp. Acest proces este influențat de mulți factori: mediul, starea asistenței medicale, situația economică din țară, situația internațională și multe altele. Rezumând datele demografice, oamenii de știință au derivat o funcție care exprimă dependența populației de timp: f(t)=unde coeficienții a și b sunt diferiți pentru fiecare stat, f(t)=unde coeficienții a și b sunt diferiți pentru fiecare stare, e este baza logaritmului natural. e este baza logaritmului natural. Această formulă reflectă doar aproximativ realitatea. Pentru a găsi valorile coeficienților a și b, puteți utiliza manualul de statistică. Luând valorile lui f(t) (populația la momentul t) din cartea de referință, se pot selecta aproximativ a și b, astfel încât valorile teoretice ale lui f(t) calculate prin formula să nu difere mult de cele date reale din cartea de referință. Această formulă reflectă doar aproximativ realitatea. Pentru a găsi valorile coeficienților a și b, puteți utiliza manualul de statistică. Luând valorile lui f(t) (populația la momentul t) din cartea de referință, se pot selecta aproximativ a și b, astfel încât valorile teoretice ale lui f(t) calculate prin formula să nu difere mult de cele date reale din cartea de referință.
Utilizarea calculatorului ca instrument pentru activitățile educaționale face posibilă regândirea abordărilor tradiționale ale studiului multor probleme ale științelor naturii, consolidarea activităților experimentale ale elevilor, apropierea procesului de învățare de procesul real de cunoaștere bazat pe tehnologie de modelare. Utilizarea calculatorului ca instrument pentru activitățile educaționale face posibilă regândirea abordărilor tradiționale ale studiului multor probleme ale științelor naturii, consolidarea activităților experimentale ale elevilor, apropierea procesului de învățare de procesul real de cunoaștere bazat pe tehnologie de modelare. Rezolvarea problemelor din diverse domenii ale activității umane pe un computer se bazează nu numai pe cunoștințele studenților despre tehnologia modelării, ci, bineînțeles, pe cunoașterea acestei discipline. În acest sens, este mai oportun să se desfășoare lecțiile de modelare propuse după ce elevii au studiat materialul pe o materie de învățământ general, profesorul de informatică trebuie să coopereze cu profesori din diferite domenii de învățământ. Este cunoscută experiența desfășurării lecțiilor binare, i.e. lecţii conduse de un profesor de informatică împreună cu un profesor de materie. Rezolvarea problemelor din diverse domenii ale activității umane pe un computer se bazează nu numai pe cunoștințele studenților despre tehnologia modelării, ci, bineînțeles, pe cunoașterea acestei discipline. În acest sens, este mai oportun să se desfășoare lecțiile de modelare propuse după ce elevii au studiat materialul pe o materie de învățământ general, profesorul de informatică trebuie să coopereze cu profesori din diferite domenii de învățământ. Este cunoscută experiența desfășurării lecțiilor binare, i.e. lecţii conduse de un profesor de informatică împreună cu un profesor de materie.
În încheierea capitolului, luăm în considerare întrebarea: unde să atribuim un experiment pe calculator și simulare pe calculator ( calculator simulări) !
Inițial, simularea pe computer a apărut în meteorologie și fizica nucleară, dar astăzi gama de aplicare a acesteia în știință și tehnologie este extrem de largă. Exemplul „modelării globale” este foarte indicativ în acest sens, unde lumea este considerată ca un set de subsisteme care interacționează: populație, societate, economie, producție alimentară, complex de inovare, resurse naturale, habitat, țări și regiuni ale lumii ( primul exemplu este publicat în 1972 Raport către Clubul de la Roma „Limitele creșterii”). Dezvoltarea și interacțiunea acestor subsisteme determină dinamica lumii.
Evident, avem de-a face aici cu un sistem supercomplex cu multe interacțiuni neliniare, pentru care nu se poate construi un tip de model VIO. Prin urmare, aici procedați după cum urmează. Se constituie un grup multidisciplinar, format din specialisti apartinand diferitelor subsisteme. Acest grup, bazat pe cunoștințele membrilor săi, alcătuiește o diagramă bloc a unui număr mare de elemente și relații. Această diagramă bloc este convertită într-un model computerizat matematic reprezentând sistemul care se modelează. După aceea, se efectuează experimente numerice cu un model computerizat, adică. experimente pe computer care, din partea creării de modele de obiecte și procese, depanare și execuție, seamănă cu un adevărat experiment complex.
Există o anumită analogie între gândire și experimentele pe computer. În cazul unui experiment pe computer, modelul computerizat elaborat în cursul acestuia este un analog cu modelul FIE într-un experiment mental FIE. În ambele cazuri, cercetarea experimentală este un element al căutării unui model teoretic adecvat. În cursul acestei căutări, în primul caz, sunt selectate FEC-uri și interacțiunile dintre ele (și valoarea lor), iar în al doilea caz, elemente și relații (și valoarea lor). Din această comparație este evident că în ambele cazuri apariția unor noi cunoștințe este posibilă ca urmare a unei astfel de activități experimentale. Adică modelele computerizate corespund modelelor teoretice RES ale fenomenului, iar experimentul computerizat este un instrument pentru construirea lor. În acest caz, experimentarea are loc cu modelul, și nu cu fenomenul (conform lucrării, același lucru este indicat în lucrări).
În fizică și alte științe ale naturii, în cazul fenomenelor „de laborator”, un experiment real poate schimba ceva în fenomenul în sine („pune-i o întrebare”). Dacă acest lucru se dovedește a fi suficient pentru a crea un model VIO și rămâne singura întrebare cu privire la rafinarea parametrilor acestuia, atunci în acest caz modelul computerizat are o aplicație mai trivială decât cea descrisă mai sus - rezolvarea ecuațiilor complexe care descriu un sistem fizic sau tehnic, și selectarea parametrilor pentru sistemele pentru care modelul VIO este deja definit. Acest caz este adesea denumit „experiment numeric”.
Cu toate acestea, fizica ia în considerare și fenomenele care trebuie studiate calitativ înainte de a fi introduse în laborator, de exemplu, eliberarea de energie nucleară sau nașterea particulelor elementare. O situație similară poate apărea: 1) în cazurile de complexitate economică sau tehnică a unui experiment real listat pentru un experiment de gândire, 2) în absența unui model PRI, i.e. absenţa unei teorii a fenomenului (ca în cazul curgerilor turbulente). În fizica nucleară și fizica particulelor avem primele, dacă nu ambele cazuri. Aici avem o situație asemănătoare cu „simularea globală” și începem să experimentăm modele teoretice prin simulări pe calculator. Prin urmare, nu este de mirare că simularea pe computer a apărut foarte devreme în fizica nucleară.
Deci, un experiment pe computer și modele pe computer într-un caz non-trivial, ca în exemplul de „simulare globală”, corespund, respectiv, unui experiment RES mental și modelelor RES teoretice ale fenomenului.
Un experiment este o formă de comunicare între două părți - un fenomen și un model teoretic. În principiu, aceasta implică posibilitatea manipulării cu două părți. În cazul unui experiment real, experimentarea are loc cu un fenomen, iar în cazul unui experiment mental și computerizat, care poate fi considerat ca un analog al unuia mental, cu un model. Dar, în ambele cazuri, scopul este obținerea de noi cunoștințe sub forma unui model teoretic adecvat.
- Aceasta include observația lui E. Winsberg: „Nu este adevărat că un experiment real manipulează întotdeauna doar obiectul de interes. De fapt, atât într-un experiment real, cât și într-o simulare, există o relație complexă între ceea ce este manipulat în studiu, și într-o relație complexă. pe de o parte, și lumea, care sunt scopul studiului - pe de altă parte ... Mendel, de exemplu, a manipulat mazărea, dar era interesat să studieze fenomenul eredității generale ".
L. V. Pigalitsyn,
, www.levpi.narod.ru, școala secundară nr. 2, Dzerjinsk, regiunea Nijni Novgorod.
Experiment de fizică pe computer
4. Experiment pe calculator de calcul
Experimentul de calcul se întoarce
într-un domeniu independent al științei.
R.G. Efremov, doctor în științe fizice și matematice
Un experiment computerizat de calcul este în multe privințe similar cu unul convențional (natural). Aceasta include planificarea experimentelor și crearea unei configurații experimentale și efectuarea de teste de control și o serie de experimente, precum și prelucrarea datelor experimentale, interpretarea acestora etc. Cu toate acestea, nu se desfășoară pe un obiect real, ci pe modelul său matematic, rolul configurației experimentale este jucat de un computer echipat cu un program special.
Experimentul de calcul devine din ce în ce mai popular. Ei sunt angajați în multe institute și universități, de exemplu, la Universitatea de Stat din Moscova. Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova, Institutul de Citologie și Genetică al Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe, Institutul de Biologie Moleculară al Academiei Ruse de Științe etc. Oamenii de știință pot obține deja rezultate științifice importante fără un real, „umed” experiment. Pentru aceasta, nu există doar puterea computerului, ci și algoritmii necesari și, cel mai important, înțelegerea. Dacă a fost partajat anterior - in vivo, in vitro, - acum adăugat in Silicon. De fapt, experimentul de calcul devine un domeniu independent al științei.
Avantajele unui astfel de experiment sunt evidente. De obicei, este mai ieftin decât natural. Se poate interveni ușor și în siguranță. Poate fi repetat și întrerupt în orice moment. În timpul acestui experiment, puteți simula condiții care nu pot fi create în laborator. Cu toate acestea, este important să ne amintim că un experiment de calcul nu poate înlocui complet unul natural, iar viitorul stă în combinația lor rezonabilă. Experimentul computerizat de calcul servește ca o punte între experimentul natural și modelele teoretice. Punctul de plecare al simulării numerice este dezvoltarea unui model idealizat al sistemului fizic considerat.
Să luăm în considerare câteva exemple de experiment fizic computațional.
Moment de inerție.În „Open Physics” (2.6, partea 1) există un experiment de calcul interesant privind găsirea momentului de inerție al unui corp rigid folosind exemplul unui sistem format din patru bile înșirate pe o spiță. Poți schimba poziția acestor bile pe spiță, precum și alege poziția axei de rotație, desenând-o atât prin centrul spiței, cât și prin capete. Pentru fiecare aranjament de bile, elevii calculează valoarea momentului de inerție folosind teorema Steiner pe translația paralelă a axei de rotație. Datele pentru calcule sunt furnizate de profesor. După calcularea momentului de inerție, datele sunt introduse în program și se verifică rezultatele obținute de elevi.
"Cutie neagră". Pentru a implementa experimentul de calcul, eu și studenții mei am creat mai multe programe pentru a studia conținutul „cutiei negre” electrice. Poate conține rezistențe, becuri incandescente, diode, condensatoare, bobine etc.
Se pare că în unele cazuri este posibil, fără a deschide „cutia neagră”, să aflați conținutul acesteia conectând diverse dispozitive la intrare și la ieșire. Desigur, la nivelul școlii, acest lucru se poate face pentru o rețea simplă cu trei sau patru terminale. Astfel de sarcini dezvoltă imaginația elevilor, gândirea spațială și creativitatea, ca să nu mai vorbim de faptul că pentru a le rezolva, trebuie să ai cunoștințe profunde și solide. Prin urmare, nu este o coincidență faptul că la multe olimpiade ale Uniunii și internaționale de fizică, studiul „cutiilor negre” în mecanică, căldură, electricitate și optică este propus ca probleme experimentale.
La cursurile speciale, desfășuresc trei lucrări reale de laborator, când sunt în „cutia neagră”:
- numai rezistente;
- rezistențe, lămpi cu incandescență și diode;
- rezistențe, condensatoare, bobine, transformatoare și circuite oscilatoare.
Din punct de vedere structural, „cutiile negre” sunt realizate în cutii de chibrituri goale. În interiorul cutiei este plasat un circuit electric, iar cutia în sine este sigilată cu bandă adezivă. Cercetările se realizează cu ajutorul instrumentelor - avometre, generatoare, osciloscoape etc., - deoarece. Pentru a face acest lucru, trebuie să construiți CVC și AFC. Elevii introduc citirile instrumentului într-un computer, care procesează rezultatele și construiește CVC și răspunsul în frecvență. Acest lucru le permite elevilor să-și dea seama ce părți sunt în „cutia neagră” și să-și determine parametrii.
Atunci când se efectuează lucrări frontale de laborator cu „cutii negre”, există dificultăți asociate cu lipsa instrumentelor și a echipamentelor de laborator. Într-adevăr, pentru cercetare este necesar să existe, să zicem, 15 osciloscoape, 15 generatoare de sunet etc., adică. 15 seturi de echipamente scumpe pe care majoritatea școlilor nu le au. Și aici vin în ajutor virtuale „cutii negre” - programele de calculator corespunzătoare.
Avantajul acestor programe este că cercetarea poate fi făcută simultan de către întreaga clasă. Ca exemplu, luați în considerare un program care implementează „cutii negre” care conțin doar rezistențe folosind un generator de numere aleatorii. În partea stângă a desktopului este o „cutie neagră”. Are un circuit electric format doar din rezistențe care pot fi plasate între puncte A, B, CȘi D.
Elevul are la dispoziție trei dispozitive: o sursă de alimentare (rezistența sa internă este luată egală cu zero pentru a simplifica calculele, iar EMF este generată aleatoriu de program); voltmetru (rezistența internă este infinită); ampermetru (rezistența internă este zero).
Când rulați programul în interiorul „cutiei negre” este generat aleatoriu un circuit electric care conține de la 1 la 4 rezistențe. Elevul poate face patru încercări. După apăsarea oricărei taste, i se oferă să conecteze oricare dintre dispozitivele propuse la bornele „cutiei negre” în orice secvență. De exemplu, s-a conectat la terminale AB sursa de curent cu EMF = 3 V (valoarea EMF este generată aleatoriu de program, în acest caz s-a dovedit a fi 3 V). La terminale CD a conectat un voltmetru, iar citirile sale s-au dovedit a fi de 2,5 V. Din aceasta ar trebui să se concluzioneze că există cel puțin un divizor de tensiune în „cutia neagră”. Pentru a continua experimentul, în loc de un voltmetru, puteți conecta un ampermetru și puteți face citiri. Aceste date nu sunt în mod clar suficiente pentru a dezlega misterul. Prin urmare, mai pot fi efectuate două experimente: sursa de curent este conectată la terminale CD, iar voltmetrul și ampermetrul - la bornele AB. Datele obținute în acest caz vor fi deja suficiente pentru a dezlega conținutul „cutiei negre”. Elevul desenează o diagramă pe hârtie, calculează parametrii rezistențelor și arată rezultatele profesorului.
Profesorul, după ce a verificat lucrarea, introduce codul corespunzător în program, iar circuitul din această „cutie neagră” și parametrii rezistențelor apar pe desktop.
Programul a fost scris de studenții mei în BASIC. Să-l ruleze Windows XP sau în Windows Vista poti folosi un emulator DOS, De exemplu, dos box. Îl puteți descărca de pe site-ul meu www.physics-computer.by.ru.
Dacă în interiorul „cutiei negre” există elemente neliniare (lămpi cu incandescență, diode etc.), atunci, pe lângă măsurătorile directe, va trebui să luați CVC-ul. În acest scop, este necesar să existe o sursă de curent, o tensiune, la ieșirile căreia tensiunea poate fi schimbată de la 0 la o anumită valoare.
Pentru a studia inductanțe și capacități, este necesar să se măsoare răspunsul în frecvență folosind un generator de sunet virtual și un osciloscop.
Selector de viteză. Să luăm în considerare încă un program din „Open Physics” (2.6, partea 2), care face posibilă efectuarea unui experiment de calcul cu un selector de viteză într-un spectrometru de masă. Pentru a determina masa unei particule folosind un spectrometru de masă, este necesar să se efectueze o selecție preliminară a particulelor încărcate după viteze. Acest scop este servit de așa-numitul selectoare de viteză.
În cel mai simplu selector de viteză, particulele încărcate se mișcă în câmpuri electrice și magnetice uniforme încrucișate. Un câmp electric este creat între plăcile unui condensator plat, un câmp magnetic este creat în golul unui electromagnet. viteza de pornire υ particulele încărcate sunt direcționate perpendicular pe vectori E Și ÎN .
Două forțe acționează asupra unei particule încărcate: forța electrică q E și forța magnetică Lorentz q υ × B . În anumite condiții, aceste forțe se pot echilibra exact între ele. În acest caz, particula încărcată se va mișca uniform și rectiliniu. După ce a zburat prin condensator, particula va trece printr-o mică gaură din ecran.
Starea unei traiectorii rectilinie a unei particule nu depinde de sarcina și masa particulei, ci depinde doar de viteza acesteia: qE = qυB→υ = E/B.
Într-un model de computer, puteți modifica valorile intensității câmpului electric E, inducția câmpului magnetic Bși viteza inițială a particulelor υ . Experimentul de selecție a vitezei poate fi efectuat pentru un electron, un proton, o particulă α și atomi complet ionizați de uraniu-235 și uraniu-238. Un experiment de calcul în acest model computerizat este efectuat după cum urmează: studenților li se spune ce particulă încărcată zboară în selectorul de viteză, puterea câmpului electric și viteza inițială a particulei. Elevii calculează intensitatea câmpului magnetic folosind formulele de mai sus. După aceea, datele sunt introduse în program și se observă zborul particulei. Dacă particula zboară orizontal în interiorul selectorului de viteză, atunci calculele sunt corecte.
Se pot face experimente de calcul mai complexe folosind pachetul gratuit „MODEL VISION pentru WINDOWS”. Punga de plastic Model Vision Studio (MVS) este un shell grafic integrat pentru crearea rapidă a modelelor vizuale interactive ale sistemelor dinamice complexe și efectuarea de experimente de calcul cu acestea. Pachetul a fost dezvoltat de grupul de cercetare „Tehnologii de obiecte experimentale” din cadrul Departamentului de „Calcul distribuit și rețele de calculatoare” al Facultății de Cibernetică Tehnică a Universității Tehnice de Stat din Sankt Petersburg. Versiunea gratuită redistribuibilă a pachetului MVS 3.0 este disponibil la www.exponenta.ru. Tehnologia de modelare în mediu MVS se bazează pe conceptul de banc virtual de laborator. Utilizatorul plasează blocuri virtuale ale sistemului simulat pe stand. Blocurile virtuale pentru model sunt fie selectate din bibliotecă, fie create din nou de utilizator. Punga de plastic MVS este conceput pentru a automatiza principalele etape ale unui experiment de calcul: construirea unui model matematic al obiectului studiat, generarea unei implementări software a modelului, studierea proprietăților modelului și prezentarea rezultatelor într-o formă convenabilă pentru analiză. Obiectul studiat poate aparține clasei sistemelor continue, discrete sau hibride. Pachetul este cel mai potrivit pentru studiul sistemelor fizice și tehnice complexe.
Ca exemplu Să luăm în considerare o problemă destul de populară. Lasă un punct material să fie aruncat într-un anumit unghi pe un plan orizontal și să se ciocnească absolut elastic cu acest plan. Acest model a devenit aproape obligatoriu în setul demo de pachete de modelare exemple. Într-adevăr, acesta este un sistem hibrid tipic cu comportament continuu (zburare într-un câmp gravitațional) și evenimente discrete (sărituri). Acest exemplu ilustrează, de asemenea, o abordare orientată pe obiecte a modelării: o minge care zboară în atmosferă este un descendent al unei mingi care zboară în spațiu fără aer și moștenește automat toate caracteristicile comune, adăugând în același timp propriile caracteristici.
Ultima, finală, din punctul de vedere al utilizatorului, etapă de modelare este etapa de descriere a formei de prezentare a rezultatelor unui experiment de calcul. Acestea pot fi tabele, grafice, suprafețe și chiar animații care ilustrează rezultatele în timp real. Astfel, utilizatorul observă de fapt dinamica sistemului. Punctele spațiului de fază se pot muta, elementele structurale desenate de utilizator se pot schimba culorile, iar utilizatorul poate urmări pe ecran, de exemplu, procesele de încălzire sau răcire. În pachetele create pentru implementarea software a modelului, pot fi prevăzute ferestre speciale care permit, în timpul experimentului de calcul, modificarea valorilor parametrilor și vizualizarea imediată a consecințelor modificărilor.
Multă muncă privind modelarea vizuală a proceselor fizice în MVS desfăşurat la MPGU. Acolo, au fost dezvoltate o serie de lucrări virtuale pe cursul de fizică generală, care pot fi asociate cu facilități experimentale reale, ceea ce vă permite să observați simultan pe afișaj în timp real schimbarea parametrilor atât ai procesului fizic real, cât și ai parametrii modelului său, demonstrând clar adecvarea acestuia. Ca exemplu, citez șapte lucrări de laborator de mecanică din atelierul de laborator al portalului de internet al educației deschise care îndeplinește standardele educaționale de stat existente la specialitatea „Profesor de fizică”: studiul mișcării rectilinie cu ajutorul mașinii Atwood; măsurarea vitezei glonțului; adăugarea de vibrații armonice; măsurarea momentului de inerție al unei roți de bicicletă; studiul mișcării de rotație a unui corp rigid; determinarea accelerației în cădere liberă folosind un pendul fizic; studiul oscilațiilor libere ale unui pendul fizic.
Primele șase sunt virtuale și sunt simulate pe un PC în ModelVisionStudioFree, iar acesta din urmă are atât o versiune virtuală, cât și două reale. Într-una, concepută pentru învățământul la distanță, elevul trebuie să facă independent un pendul dintr-o agrafă mare și o radieră și, atârnându-l sub axul unui mouse de computer fără minge, să obțină un pendul al cărui unghi de deviere este citit de un program special și trebuie să fie folosit de către elev la procesarea rezultatelor experimentului. Această abordare permite ca unele dintre abilitățile necesare muncii experimentale să fie elaborate doar pe un PC, iar restul - atunci când lucrați cu dispozitive reale disponibile și cu acces de la distanță la echipamente. Într-o altă versiune, destinată pregătirii acasă a studenților cu normă întreagă pentru lucrul de laborator în atelierul Departamentului de Fizică Generală și Experimentală a Facultății de Fizică a Universității Pedagogice de Stat din Moscova, studentul exersează abilitățile de lucru cu o configurație experimentală pe un model virtual, iar în laborator efectuează un experiment simultan pe un anumit setup real și cu modelul său virtual. În același timp, el folosește atât instrumente de măsurare tradiționale sub formă de cântar optic și cronometru, cât și mijloace mai precise și mai rapide - un senzor de mișcare bazat pe un mouse optic și un temporizator de computer. Compararea simultană a tuturor celor trei reprezentări (tradiționale, rafinate cu ajutorul senzorilor electronici conectați la un computer și model) ale aceluiași fenomen ne permite să tragem o concluzie despre limitele adecvării modelului, atunci când încep datele de simulare pe calculator. să se deosebească din ce în ce mai mult de lecturile după ceva timp, filmate pe o instalație reală.
Cele de mai sus nu epuizează posibilitățile de utilizare a unui computer într-un experiment de calcul fizic. Deci, pentru un profesor care lucrează creativ și pentru studenții săi, vor exista întotdeauna oportunități neutilizate în domeniul experimentului fizic virtual și real.
Dacă aveți comentarii și sugestii cu privire la diferite tipuri de experimente fizice pe computer, scrieți-mi la:
Calculatorul modern are multe utilizări. Dintre acestea, după cum știți, capacitățile computerului ca mijloc de automatizare a proceselor informaționale sunt de o importanță deosebită. Dar nu mai puțin semnificative sunt posibilitățile sale ca instrument efectuarea de lucrări experimentale și analizarea rezultatelor acesteia.
Experiment de calcul este cunoscută de mult în știință. Amintiți-vă de descoperirea planetei Neptun „la vârful stiloului”. Adesea, rezultatele cercetării științifice sunt considerate de încredere numai dacă pot fi prezentate sub formă de modele matematice și confirmate prin calcule matematice. În plus, acest lucru se aplică nu numai fizicii.
sau design tehnic, dar și sociologie, lingvistică, marketing - tradițional umaniste, departe de matematică.
Un experiment de calcul este o metodă teoretică de cunoaștere. Dezvoltarea acestei metode este simulare numerica- o metodă științifică relativ nouă care s-a răspândit datorită apariției computerelor.
Simularea numerică este utilizată pe scară largă atât în practică, cât și în cercetarea științifică.
Exemplu. Fără construirea de modele matematice și efectuarea diferitelor calcule asupra datelor în continuă schimbare provenite de la instrumentele de măsurare, operarea liniilor automate de producție, a autopiloților, a stațiilor de urmărire și a sistemelor automate de diagnosticare este imposibilă. Mai mult, pentru a asigura fiabilitatea sistemelor, calculele trebuie efectuate în timp real, iar erorile acestora pot fi de milioane de procente.
Exemplu. Un astronom modern poate fi văzut adesea nu la ocularul unui telescop, ci în fața unui ecran de computer. Și nu numai teoretician, ci și observator. Astronomia este o știință neobișnuită. Ea, de regulă, nu poate experimenta direct cu obiectele de cercetare. Diverse tipuri de radiații (curenți electromagnetice, gravitaționale, neutrino sau cosmice), astronomii doar „pândesc” și „ascultă cu urechea”. Aceasta înseamnă că trebuie să învățați cum să extrageți maximum de informații din observații și să le reproduceți în calcule pentru a testa ipotezele care descriu aceste observații. Aplicațiile computerelor în astronomie, ca și în alte științe, sunt extrem de diverse. Aceasta este atât automatizarea observațiilor, cât și procesarea rezultatelor acestora (astronomii văd imaginile nu în ocular, ci pe un monitor conectat la dispozitive speciale). De asemenea, computerele sunt necesare pentru a lucra cu cataloage mari (stele, analize spectrale, compuși chimici etc.).
Exemplu. Toată lumea cunoaște expresia „o furtună într-o ceașcă de ceai”. Pentru a studia în detaliu un proces hidrodinamic atât de complex precum furtuna, este necesar să se implice metode complexe de simulare numerică. Prin urmare, computerele puternice sunt situate în centre hidrometeorologice mari: „se desfășoară o furtună” în cristalul procesorului computerului.
Chiar dacă nu faceți calcule foarte complexe, dar trebuie să le repetați de un milion de ori, atunci este mai bine să scrieți un program o dată, iar computerul îl va repeta de câte ori este necesar (limitarea, desigur, va fi viteza computerului).
Simularea numerică poate fi o metodă de cercetare independentă atunci când doar valorile unor indicatori sunt de interes (de exemplu, costul de producție sau spectrul integral al galaxiei), dar cel mai adesea acționează ca unul dintre mijloacele de construire a computerului. modele în sensul larg al termenului.
Din punct de vedere istoric, prima lucrare de modelare pe calculator a fost asociata cu fizica, unde o intreaga clasa de probleme din hidraulica, filtrare, transfer de caldura si transfer de caldura, mecanica solidelor etc., a fost rezolvata folosind simularea numerica Modelarea a fost in principal o solutie a unor probleme neliniare complexe. a fizicii matematice și în esență a fost, desigur, modelarea matematică. Succesul modelării matematice în fizică a contribuit la răspândirea acesteia la problemele de chimie, energie electrică, biologie, iar schemele de modelare nu diferă prea mult unele de altele. Complexitatea problemelor rezolvate pe baza modelării a fost limitată doar de puterea calculatoarelor disponibile. Acest tip de modelare este larg răspândit în prezent. Mai mult, pe parcursul dezvoltării simulării numerice s-au acumulat biblioteci întregi de subrutine și funcții care facilitează aplicarea și extind posibilitățile de simulare. Și totuși, în prezent, conceptul de „modelare pe computer” este de obicei asociat nu cu disciplinele fundamentale ale științelor naturii, ci în primul rând cu o analiză de sistem a sistemelor complexe din punctul de vedere al ciberneticii (adică din punctul de vedere al managementului, al autogestionării). , autoorganizare). Și acum modelarea pe computer este utilizată pe scară largă în biologie, macroeconomie, în crearea sistemelor de control automate etc.
Exemplu. Amintiți-vă experimentul lui Piaget descris în paragraful anterior. Desigur, ar putea fi realizat nu cu obiecte reale, ci cu o imagine animată pe ecranul de afișare. Dar, până la urmă, mișcarea jucăriilor ar putea fi filmată pe film obișnuit și afișată la televizor. Este potrivit să numim utilizarea unui computer în acest caz o simulare computerizată?
Exemplu. Modelul de zbor al unui corp aruncat vertical în sus sau într-un unghi față de orizont este, de exemplu, un grafic al înălțimii corpului în funcție de timp. Îl poți construi
a) pe o bucată de hârtie punct cu punct;
b) într-un editor grafic pentru aceleași puncte;
c) utilizarea unui program de grafică pentru afaceri, de exemplu, în
foi de calcul;
d) scrierea unui program care nu numai că afișează
cale de zbor rană, dar vă permite, de asemenea, să setați diferite
date inițiale (unghiul de înclinare, viteza inițială
creştere).
De ce nu doriți să apelați opțiunea b) un model de computer, dar opțiunile c) și d) corespund pe deplin acestui nume?
Sub model de calculatorînțeleg adesea un program (sau un program plus un dispozitiv special) care oferă o imitație a caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect. Rezultatul executării acestui program se mai numește și model de computer.
În literatura de specialitate, termenul „model de computer” este definit mai strict după cum urmează:
O imagine condiționată a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura (elementele și relațiile dintre ele). ) a obiectului. Modelele computerizate de acest fel sunt numite structurale si functionale;
Un program separat sau un set de programe care, folosind o succesiune de calcule și o afișare grafică a rezultatelor acestora, reproduce (simulează) procesele de funcționare a obiectului sub influența diverșilor factori, de obicei aleatorii. Se numesc astfel de modele imitaţie.
Modelele computerizate pot fi simple sau complexe. Ai creat modele simple de multe ori când ai învățat programarea sau ai construit baza de date. În sistemele de grafică 3D se construiesc și se folosesc sisteme expert, sisteme de control automatizate, modele computerizate foarte complexe.
Exemplu. Ideea de a construi un model de activitate umană cu ajutorul unui computer nu este nouă și este greu de găsit un domeniu de activitate în care să nu se încerce să fie implementat. Sistemele experte sunt programe de calculator care simulează acțiunile unui expert uman în rezolvarea problemelor din orice domeniu pe baza cunoștințelor acumulate care alcătuiesc baza de cunoștințe. ES rezolvă problema modelării activității mentale. Datorită complexității modelelor, dezvoltarea ES, de regulă, durează câțiva ani.
Sistemele expert moderne, pe lângă baza de cunoștințe, au și o bază de precedente - de exemplu, rezultatele unui sondaj asupra oamenilor reali și informații despre succesul/eșecul ulterior al activităților lor. De exemplu, baza de cazuri a sistemului expert NYPD este 786 000 oameni, Centrul „Hobby” (politica de personal la întreprindere) - 512 000 oameni, iar conform specialiștilor acestui centru, ES dezvoltat de aceștia a funcționat cu precizia așteptată doar atunci când baza a depășit 200 000 omule, a fost nevoie de 6 ani să-l creez.
Exemplu. Progresul în crearea graficii pe computer s-a mutat de la imagini wireframe ale modelelor tridimensionale cu o imagine simplă în semiton la imagini moderne realiste care sunt exemple de artă. Acesta a fost rezultatul succesului în definirea mai precisă a mediului de modelare. Transparența, reflexia, umbrele, modelele de iluminare și proprietățile suprafeței sunt câteva dintre domeniile în care echipele de cercetare lucrează din greu, venind constant cu noi algoritmi pentru a crea imagini artificiale din ce în ce mai realiste. Astăzi, aceste metode sunt folosite și pentru a crea animații de înaltă calitate.
nevoi practice V modelarea pe computer reprezintă provocări pentru dezvoltatorii de hardware fonduri calculator. Adică, metoda influențează în mod activ nu numai apariția de noi și programe noi Dar Și pe dezvoltare mijloace tehnice.
Exemplu. Pentru prima dată, holografia computerizată a fost discutată în anii '80. Așadar, în sistemele de proiectare asistată de computer, în sistemele de informații geografice, ar fi frumos să poți nu numai să vezi obiectul de interes într-o formă tridimensională, ci să-l prezinți sub forma unei holograme care poate fi rotită. , înclinat, uită-te înăuntru. Pentru a crea o imagine holografică care este utilă în aplicații reale, aveți nevoie
holografică
Poze 
ecrane cu un număr gigantic de pixeli - până la un miliard. Acum o astfel de muncă este desfășurată în mod activ. Concomitent cu dezvoltarea afișajului holografic, se lucrează în plină desfășurare la crearea unei stații de lucru tridimensionale bazată pe un principiu numit „substituție a realității”. În spatele acestui termen se află ideea aplicării pe scară largă a tuturor acelor metode naturale și intuitive pe care o persoană le folosește atunci când interacționează cu modele naturale (material-energie), dar, în același timp, se pune accent pe îmbunătățirea și dezvoltarea lor cuprinzătoare folosind capabilități unice ale sistemelor digitale. Se presupune, de exemplu, că va fi posibilă manipularea și interacțiunea cu hologramele computerului în timp real folosind gesturi și atingeri.
Simularea pe computer are următoarele avantaje:
Oferă vizibilitate;
Disponibil pentru utilizare.
Principalul avantaj al simulării pe computer este că permite nu numai observarea, ci și prezicerea rezultatului unui experiment în anumite condiții speciale. Datorită acestei posibilități, această metodă și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie și multe alte domenii ale cunoașterii.
Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă în predare. Cu ajutorul unor programe speciale, puteți vedea modele ale unor astfel de fenomene precum fenomenele microcosmosului și a lumii cu dimensiuni astronomice, fenomenele de fizică nucleară și cuantică, dezvoltarea plantelor și transformarea substanțelor în timpul reacțiilor chimice.
Pregătirea specialiștilor de multe profesii, în special precum controlorii de trafic aerian, piloții, dispecerii centralelor nucleare și electrice, se realizează cu ajutorul unor simulatoare controlate de un computer care simulează situații reale, inclusiv cele de urgență.
Lucrările de laborator pot fi efectuate pe un computer dacă nu există dispozitive și instrumente reale necesare sau dacă rezolvarea unei probleme necesită utilizarea unor metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.
Modelarea computerizată face posibilă „reînvierea” legilor fizice, chimice, biologice, sociale studiate, pentru a pune o serie de experimente cu modelul. Dar nu uitați că toate aceste experimente sunt de natură foarte condiționată și valoarea lor cognitivă este, de asemenea, foarte condiționată.
Exemplu. Înainte de utilizarea practică a reacției de fisiune nucleară, fizicienii nucleari pur și simplu nu știau despre pericolele radiațiilor, dar prima aplicare în masă a „realizărilor” (Hiroshima și Nagasaki) a arătat clar cât de multă radiație
este periculos pentru oameni. Începeți fizica cu electronucleul
stații, omenirea nu ar fi aflat mult timp despre pericolele radiațiilor. Realizarea chimiștilor de la începutul secolului trecut - cel mai puternic pesticid DDT - a fost considerat absolut sigur pentru oameni pentru o lungă perioadă de timp -
În contextul utilizării tehnologiilor moderne puternice, al replicării pe scară largă și al utilizării necugetate a produselor software eronate, atât de foarte specializate, s-ar părea, întrebări, cum ar fi adecvarea unui model computerizat al realității, pot dobândi o semnificație universală semnificativă.
Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor, nu a fenomenelor naturale sau sociale.
Prin urmare, un experiment la scară completă ar trebui să fie întotdeauna efectuat simultan cu un experiment pe computer, astfel încât cercetătorul, comparând rezultatele lor, să poată evalua calitatea modelului corespunzător, profunzimea înțelegerii noastre a esenței fenomenelor.
naştere. Nu uitați că fizica, biologia, astronomia, informatica sunt științe despre lumea reală, și nu despre realitatea virtuală.
În cercetarea științifică, atât fundamentală, cât și direcționată practic (aplicată), computerul acționează adesea ca un instrument necesar pentru munca experimentală.
Un experiment pe calculator este cel mai adesea asociat cu:
Cu calcule matematice complexe (număr
modelare leneșă);
Cu construcția și studiul vizual și/sau dinamic
modele de microfon (modelare pe calculator).
Sub model de calculator se referă la un program (sau un program în combinație cu un dispozitiv special) care oferă o imitație a caracteristicilor și comportamentului unui anumit obiect, precum și rezultatul executării acestui program sub formă de imagini grafice (staționare sau dinamice). ), valori numerice, tabele etc.
Există modele pe computer structural-funcțional și de simulare.
Structural-funcțional un model de computer este o imagine condiționată a unui obiect sau a unui sistem de obiecte (procese, fenomene), descrisă folosind tabele computerizate interconectate, organigrame, diagrame, grafice, desene, fragmente de animație, hipertexte și așa mai departe și afișând structura unui obiectul sau comportamentul acestuia.
Un model computerizat de simulare este un program sau pachet software separat care permite, folosind o secvență de calcule și o afișare grafică a rezultatelor acestora, să reproducă (simuleze) procesele funcționării unui obiect sub influența diverșilor factori aleatori.
Modelarea computerizată este o metodă de rezolvare a problemei analizei sau sintetizării unui sistem (cel mai adesea un sistem complex) pe baza utilizării modelului său computerizat.
Avantajele simulării pe calculator sunt asta:
Permite nu numai observarea, ci și prezicerea rezultatului experimentului în anumite condiții speciale;
Vă permite să modelați și să studiați fenomenele prezise de orice teorie;
Este prietenos cu mediul și nu reprezintă un pericol pentru natură și oameni;
Oferă vizibilitate;
Disponibil pentru utilizare.
Metoda de modelare pe calculator și-a găsit aplicație în biologie, chimie, sociologie, ecologie, fizică, economie, lingvistică, jurisprudență și multe alte domenii de cunoaștere.
Modelarea computerizată este utilizată pe scară largă în educația, formarea și recalificarea specialiștilor:
Pentru o reprezentare vizuală a modelelor fenomenelor microlumii și lumii cu dimensiuni astronomice;
Pentru a simula procesele care au loc în lumea naturii animate și neînsuflețite
Să simuleze situații reale de management al sistemelor complexe, inclusiv situații de urgență;
Pentru lucrări de laborator, când nu există dispozitive și instrumente necesare;
Pentru rezolvarea problemelor, dacă aceasta necesită utilizarea unor metode matematice complexe și calcule intensive în muncă.
Este important să ne amintim că nu realitatea obiectivă este modelată pe un computer, ci ideile noastre teoretice despre aceasta. Obiectul modelării computerizate sunt modele matematice și alte modele științifice, și nu obiecte, procese, fenomene reale.
Experimente pe calculator- este un instrument pentru studierea tiparelor, nu a fenomenelor naturale sau sociale.
Criteriul de fidelitate al oricăruia dintre rezultatele simulării pe calculator a fost și rămâne un experiment la scară completă (fizică, chimică, socială). În cercetarea științifică și practică, un experiment pe computer poate însoți doar unul la scară largă, astfel încât cercetătorul să poată compara
Nivaya rezultatele lor, ar putea evalua calitatea modelului, profunzimea ideilor noastre despre esența fenomenelor naturale.
Este important să ne amintim că fizica, biologia, astronomia, economia, informatica sunt științe despre lumea reală, și nu despre 
realitate virtuala.
Exercitiul 1
O scrisoare scrisă într-un editor de text și trimisă prin e-mail este puțin probabil să fie numită model de computer.
Editorii de text vă permit adesea să creați nu numai documente obișnuite (scrisori, pachete, rapoarte), ci și șabloane de documente în care există informații constante pe care utilizatorul nu le poate modifica, există câmpuri de date care sunt completate de utilizator și există câmpuri în care calcule pe baza datelor introduse. Un astfel de șablon poate fi considerat un model de computer? Dacă da, care este obiectul modelării în acest caz și care este scopul creării unui astfel de model?
Sarcina 2
Știți că înainte de a crea o bază de date, mai întâi trebuie să construiți un model de date. De asemenea, știți că un algoritm este un model de activitate.
Atât modelele de date, cât și algoritmii sunt dezvoltați cel mai adesea având în vedere implementarea computerului. Putem spune că la un moment dat devin un model de computer și, dacă da, când se întâmplă acest lucru?
Notă. Verificați răspunsul dvs. față de definiția „modelului de computer”.
Sarcina 3
Descrieți etapele construirii unui model de calculator folosind exemplul dezvoltării unui program care simulează un fenomen fizic.
Sarcina 4
Dați exemple de când simularea pe computer a adus beneficii reale și când a dus la consecințe nedorite. Pregătiți un raport pe această temă.
| Planificarea lecțiilor pentru anul școlar | Principalele etape ale modelării
Lectia 2
Principalele etape ale modelării
 |
 |
|
Studiind acest subiect, veți învăța:
Ce este modelarea;
- ce poate servi drept prototip pentru modelare;
- care este locul modelării în activitatea umană;
- care sunt principalele etape ale modelării;
- ce este un model de calculator;
Ce este un experiment pe computer.
experiment pe calculator
Pentru a da viață noilor dezvoltări de design, pentru a introduce noi soluții tehnice în producție sau pentru a testa idei noi, este nevoie de un experiment. Un experiment este un experiment care este efectuat cu un obiect sau model. Constă în efectuarea unor acțiuni și determinarea modului în care eșantionul experimental reacționează la aceste acțiuni.
La școală, faci experimente la lecțiile de biologie, chimie, fizică, geografie.
Experimentele sunt efectuate atunci când se testează mostre de produse noi la întreprinderi. De obicei, în acest scop se folosește o configurație special creată, care face posibilă efectuarea unui experiment în condiții de laborator sau produsul real în sine este supus la tot felul de teste (un experiment la scară completă). Pentru a studia, de exemplu, proprietățile de performanță ale unei unități sau ansamblu, acesta este plasat într-un termostat, înghețat în camere speciale, testat pe suporturi de vibrații, scăpat etc. Este bine dacă este un ceas nou sau un aspirator - pierderea în timpul distrugerii nu este mare. Dacă este un avion sau o rachetă?
Experimentele de laborator și la scară reală necesită costuri mari de materiale și timp, dar semnificația lor, cu toate acestea, este foarte mare.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei informatice, a apărut o nouă metodă unică de cercetare - un experiment pe computer. În multe cazuri, studiile de simulare pe computer au venit să ajute, și uneori chiar să înlocuiască, probele experimentale și bancurile de testare. Etapa de realizare a unui experiment pe calculator include două etape: elaborarea unui plan de experiment și realizarea unui studiu.
Planul de experiment
Planul de experiment ar trebui să reflecte în mod clar succesiunea de lucru cu modelul. Primul pas într-un astfel de plan este întotdeauna testarea modelului.
Testarea este procesul de verificare a corectitudinii modelului construit.
Test - un set de date inițiale care vă permite să determinați corectitudinea construcției modelului.
Pentru a fi siguri de corectitudinea rezultatelor modelării obținute, este necesar: ♦ să verificați algoritmul dezvoltat pentru construirea modelului; ♦ asigurați-vă că modelul construit reflectă corect proprietățile originalului, care au fost luate în considerare în simulare.
Pentru a verifica corectitudinea algoritmului de construcție a modelului, se folosește un set de test de date inițiale, pentru care rezultatul final este cunoscut în prealabil sau predeterminat în alte moduri.
De exemplu, dacă utilizați formule de calcul în modelare, atunci trebuie să selectați mai multe opțiuni pentru datele inițiale și să le calculați „manual”. Acestea sunt elemente de testare. Când modelul este construit, testați cu aceleași intrări și comparați rezultatele simulării cu concluziile obținute prin calcul. Dacă rezultatele se potrivesc, atunci algoritmul este dezvoltat corect, dacă nu, este necesar să se caute și să se elimine cauza discrepanței lor. Este posibil ca datele de testare să nu reflecte deloc situația reală și să nu aibă conținut semantic. Cu toate acestea, rezultatele obținute în timpul procesului de testare vă pot determina să vă gândiți la schimbarea modelului informațional sau de semne original, în primul rând în acea parte a acestuia în care este stabilit conținutul semantic.
Pentru a vă asigura că modelul construit reflectă proprietățile originalului, care au fost luate în considerare în simulare, este necesar să selectați un exemplu de testare cu date sursă reale.
Efectuarea de cercetări
După testare, când aveți încredere în corectitudinea modelului construit, puteți trece direct la studiu.
Planul ar trebui să includă un experiment sau o serie de experimente care să îndeplinească obiectivele simulării. Fiecare experiment trebuie să fie însoțit de o înțelegere a rezultatelor, care servește drept bază pentru analizarea rezultatelor modelării și luarea deciziilor.
Schema de pregătire și desfășurare a unui experiment pe calculator este prezentată în Figura 11.7.
Orez. 11.7. Schema unui experiment pe calculator
Analiza rezultatelor simulării
Scopul final al modelării este de a lua o decizie, care ar trebui dezvoltată pe baza unei analize cuprinzătoare a rezultatelor simulării. Această etapă este decisivă - fie continui studiul, fie termini. Figura 11.2 arată că faza de analiză a rezultatelor nu poate exista autonom. Concluziile obținute contribuie adesea la o serie suplimentară de experimente și uneori la o schimbare a problemei.
Rezultatele testelor și experimentelor servesc drept bază pentru dezvoltarea unei soluții. Dacă rezultatele nu corespund obiectivelor sarcinii, înseamnă că au fost făcute greșeli în etapele anterioare. Aceasta poate fi fie o enunțare incorectă a problemei, fie o construcție prea simplificată a unui model de informații, fie o alegere nereușită a unei metode sau a unui mediu de modelare, fie o încălcare a metodelor tehnologice la construirea unui model. Dacă sunt identificate astfel de erori, atunci modelul trebuie corectat, adică revenirea la una dintre etapele anterioare. Procesul se repetă până când rezultatele experimentului îndeplinesc obiectivele simulării.
Principalul lucru de reținut este că eroarea detectată este și rezultatul. După cum spune proverbul, înveți din greșelile tale. Marele poet rus A. S. Pușkin a mai scris despre asta:
O, câte descoperiri minunate avem
Pregătiți spiritul de iluminare
Și experiența, fiul greșelilor grele,
Și geniu, paradoxuri prietene,
Și șansa, Dumnezeu este inventatorul...
Controlați întrebările și sarcinile
1. Care sunt cele două tipuri principale de formulare a problemei de modelare.
2. În binecunoscuta „Cartea problemelor” de G. Oster, există următoarea problemă:
Vrăjitoarea rea, lucrând neobosit, transformă 30 de prințese în omizi pe zi. Câte zile îi va lua pentru a transforma 810 de prințese în omizi? Câte prințese pe zi ar trebui să fie transformate în omizi pentru a-și îndeplini treaba în 15 zile?
Ce întrebare poate fi atribuită tipului de „ce se va întâmpla dacă...”, și care – tipului de „cum se face astfel încât...”?
3. Enumerați cele mai cunoscute obiective ale modelării.
4. Formalizați problema jucăușă din „Cartea problemelor” a lui G. Oster:
Din două cabine situate la o distanță de 27 km unul de celălalt, doi câini luptători au sărit unul spre celălalt în același timp. Primul rulează cu o viteză de 4 km/h, iar al doilea - 5 km/h.
Cât va începe lupta?
5.
Numiți cât mai multe caracteristici ale obiectului „pereche de pantofi”. Compuneți un model informațional al unui obiect în diferite scopuri:
■ alegerea încălțămintei pentru drumeții;
■ alegerea unei cutii de pantofi potrivite;
■ achiziționarea cremei de îngrijire a pantofilor.
6. Ce caracteristici ale unui adolescent sunt esențiale pentru o recomandare privind alegerea unei profesii?
7. De ce computerul este utilizat pe scară largă în simulare?
8. Numiți instrumentele de modelare pe computer cunoscute de dvs.
9. Ce este un experiment pe calculator? Dă un exemplu.
10. Ce este testarea modelului?
11. Ce erori se întâlnesc în procesul de modelare? Ce trebuie făcut când se găsește o eroare?
12. Ce este analiza rezultatelor simulării? Ce concluzii se trag de obicei?
