Моделирование физических процессов

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Математическое  моделирование физических процессов. Нестационарные процессы. Уравнения  гиперболического типа. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Физика - наука, в которой математическое моделирование является важным методом исследования. Сегодня кроме теоретической и экспериментальной физики можно выделить третий раздел - вычислительную физику. Одним из наиболее перспективных направлений использования информационных технологий в физическом образовании является компьютерное моделирование физических процессов и явлений.

     Рост  числа компьютеров в школах дает возможность каждому учителю  использовать на своих уроках информационные технологии. Это с одной стороны, активизирует внимание учащихся и усиливает  их интерес к уроку, а с другой – облегчает работу учащихся и  учителя.

                 Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, а также позволяют организовать новые нетрадиционные виды учебной деятельности.

     При использовании компьютерных моделей  физических явлений можно достигнуть более полного усвоения курса  физики и формирование целостной  физической картины мира. Компьютер  помогает сделать это и в неблагоприятных  условиях, таких как:

  отсутствие интереса к предмету у ученика, когда он считает, что физика в дальнейшем ему не будет нужна;

     отсутствие  способностей к изучению точных наук;

     нехватка  лабораторного оборудования в школе  для демонстрации эксперимента.

     Для эффективного вовлечения учащихся в  учебную деятельность с использованием компьютерных моделей необходимы индивидуальные раздаточные материалы с заданиями  и вопросами различного уровня сложности. Эти материалы могут содержать  следующие виды заданий:

     1. Ознакомительное задание. (Назначение  модели, управление экспериментом,  задания и вопросы по управлению  моделью).

     2.   Компьютерные эксперименты. (Провести  простые эксперименты по данной  модели по предложенному плану,  вопросы к ним и результаты  измерений).

     3. Экспериментальное задание. (Спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов).

     4.   Тестовые задания. (Выбрать правильный ответ, используя модель)

     5.   Исследовательское задание. (Провести  эксперимент, доказывающий некоторую  предложенную закономерность, или  опровергающий её; самостоятельно  сформулировать ряд закономерностей  и подтвердить их экспериментом).

     6. Творческое задание. (Придумать задачу, решить её, поставить эксперимент  для проверки полученных ответов).

     Значительное  число компьютерных моделей, охватывающих почти весь школьный курс физики, содержится в учебных электронных изданиях: "Физика в картинках”, "Открытая физика”, "Живая физика”, «1 С  Репетитор», «1 С Физика 7-11», «Физика 7-11 практикум», «Уроки физики 7- 8 классы».

     Обобщая, можно сформулировать принципы применения компьютерных моделей на уроке:

     1.   Модель явления необходимо использовать  лишь в том случае, когда невозможно  провести эксперимент, или когда  это явление протекает очень  быстро и за ним невозможно  проследить детально.

     2. Компьютерная модель должна помогать  разбираться в деталях изучаемого  явления или служить иллюстрацией  условия решаемой задачи.

     3. В результате работы с моделью  ученики должны выявить как  качественные, так и количественные  зависимости между величинами, характеризующими  явление. 

     4.   При работе с моделью необходимо  предлагать ученикам задания  разного уровня сложности, содержащие  элементы самостоятельного творчества.

     Существуют  большие возможности моделирования  физических задач в среде MS Excel. Электронные  таблицы применяются для сложных  многошаговых технических расчетов. Применение электронных таблиц на уроках физики может сократить время  при проведении однотипных расчетов, например при выполнении лабораторных работ, где требуется рассчитывать одни и те же физические величины для  нескольких опытов. Использование электронных  таблиц Excel обусловлено следующими причинами:

     функциональные  возможности программы Excel заведомо перекрывают все потребности  по автоматизации обработки данных эксперимента, построению и исследованию моделей;

     универсальная программа Excel обладает стандартным  интерфейсом;

изучение Excel предусматривается программами  общего образования по информатике, следовательно, возможно эффективное  использование Excel в условиях осуществления  межпредметных связей с информатикой;

     программа отличается доступностью в изучении и простотой в управлении;

     результаты  деятельности на рабочем листе Excel (тексты, таблицы, графики, формулы) «открыты»  пользователю.

     Cреди  всех известных программных средств  Excel обладает богатым инструментарием  для работы с графиками. Программа  позволяет с использованием приемов  автозаполнения представлять данные  в табличной форме, оперативно  их преобразовывать с использованием  огромной библиотеки функций,  строить графики редактировать  их практически по всем элементам,  увеличивать изображение какого-либо  фрагмента графика, выбирать функциональные  масштабы по осям, экстраполировать  графики.

Электронные таблицы эффективно могут использоваться при проведении:

       Демонстрационного эксперимента;

     Лабораторных  работ;

     Физического практикума;

     Решения задач по различным темам курса  физики;

     Контроля  знаний.

     В своей работе учителя информатики  при изучении темы «Табличные вычисления на компьютере», «Математическое моделирование  и решение задач с помощью  электронных таблиц» могут использовать любые примеры. Наиболее наглядны задачи по кинематике и динамике, что способствует повторению, углублению и закреплению  материала этих тем по физике, а  также демонстрация практического  применения электронных таблиц при  изучении других предметов школьного  курса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Математическое  моделирование физических процессов

 

   При расчете физических процессов составляется математическая модель - система уравнений, описывающая зависимости между  физическими величинами при некоторых  упрощающих допущениях. Например, при  движении точки вблизи поверхности  Земли полагается ускорение свободного падения постоянным, не зависящим  от высоты расположения точки над  поверхностью. Для тел, движущихся с  небольшой скоростью или в  разряженной атмосфере, пренебрегают сопротивлением воздуха. Само точка  часто заменяют материальной точкой, т. е. размерами точки пренебрегают. Физические процессы описываются, как  правило системой дифференциальных уравнений, для решения которой  применяют различные численные  методы (модели). Широко используется метод  конечных разностей, в котором бесконечно малые приращения переменных заменяют малыми (конечными) приращениями.

      Например, изменение параметра времени  представляют в виде:  dt=t 2 -t 1 , а  изменение функции "Х": dX(t) = X(t)-X(t-dt) = X(t 2 )-X(t 1 ) = X 2 -X 1 .

      Рассмотрим  задачу определения траектории точки, движущегося в некоторой плоскости  под действием различных сил. Например, необходимо вычислить траекторию движения снаряда с учетом сопротивления  воздуха или ракеты с учетом изменения  ее массы, движущихся в поле тяготения  Земли.

      Координаты  точки X(t), Y(t) в некоторый момент времени "t" можно определить, зная координаты точки X(t - dt), Y(t - dt) в предыдущий момент времени "t - dt" и изменение (приращение) координат dX, dY:

      X(t) = X(t-dt) + dX(t),

      Y(t) = Y(t-dt) + dY(t).

      Если  временной интервал выбрать достаточно малым, то можно полагать, что скорость точки на этом интервале не изменяется и приращения координат определяются по формулам:

     dX(t) = Vx(t)dt,

      dY(t) = Vy(t)dt.

      Здесь Vx(t), Vy(t) - проекции скорости на оси координат.

      Составляющие  скорости Vx(t) и Vy(t) можно вычислить  по формулам:

      Vx(t) = Vx(t-dt) + Ax(t) * dt,

      Vy(t) = Vy(t-dt) + Ay(t) * dt.

     Здесь Ax(t), Ay(t) - проекции ускорения на оси  координат.

      Ускорение определяется силами, действующими на точка: ускорение равно равнодействующей силе, деленной на массу точки. Силы могут зависеть от координат точки, времени и скорости точки. Например, ускорение ракеты в поле тяготения  планеты обратно пропорционально  квадрату расстояния до центра планеты. При включении двигателя ракеты ускорение зависит от времени (программы  работы двигателя). При движении в  плотных слоях атмосферы на ракету действуют силы сопротивления воздуха, зависящие от скорости движения, т. е. ускорение зависит от скорости.

      Приведем  алгоритм расчета траектории движения точки:

      1. Определяем силы, действующие на  точка, и находим проекции ускорения  на оси координат. В общем  случае ускорение точки зависит  от многих факторов и в момент  времени t задается как функция  от времени, скорости и координат  точки: 

      Ax:= Fx(Vx, Vy, X, Y, t); Ay:= Fy(Vx, Vy, X, Y, t);

      Где Vx, Vy, Ax, Ay - проекции скорости и ускорения.

      2. Задаем начальное положение точки  - координаты X[1], Y[1] и начальную скорость  и ускорение в виде проекций  на оси координат: 

      X[1]:= X0; Y[1]:= Y0; Vx[1]:= V * cos( fi ); Vy[1]:= V * sin( fi );

      Ax[1]:= Fx(Vx[1], Vy[1], X[1], Y[1], t[1]);

      Ay[1]:= Fy(Vx[1], Vy[1], X[1], Y[1], t[1]);

      Где V - начальная скорость точки, fi - угол наклона вектора скорости к оси  Х.

      3. Задаем временной шаг dt и разбиваем  весь временной интервал на N участков. При равномерной разбивке приращение  времени определяется по формуле: 

      dt:= (t[N]-t[1])/(N-1); Здесь (t[N] - t[1]) - время движения  точки. 

      Выбор величины dt определяется необходимой  точностью расчета, возможностями  вычислительной техники, и может  уточняться при решении задачи.

      4. Вычисляем массивы скорости, ускорения  и координат точки: 

      For i:= 2 to N do begin

      Vx[i]:= Vx[i-1] + Ax[i-1] * dt;

      Vy[i]:= Vy[i-1] + Ay[i-1] * dt;

     X[i]:= X[i-1] + 0.5 * (Vx[i-1] + Vx[i]) * dt;

      Y[i]:= Y[i-1] + 0.5 * (Vy[i-1] + Vy[i]) * dt;

      Ax[i]:= Fx(Vx[i], Vy[i], X[i], Y[i], t[i]);

      Ay[i]:= Fy(Vx[i], Vy[i], X[i], Y[i], t[i]);

      (уточняем скорость точки в расчетной точке)

      VX[i]:= VX[i-1] + 0.5 * (Ax[i-1] + Ax[i]) * dt;

      VY[i]:= VY[i-1] + 0.5 * (Ay[i-1] + Ay[i]) * dt;

      end;

      Для уменьшения погрешностей расчетной  схемы, скорость и ускорения на участке  интерполируются средними значениями.

      5. Строим траекторию движения точки. 

      Здесь удобно использовать процедуры из библиотеки построения графиков GR_F. Следует определить расчетную область и область  рисования траектории на экране. Траектория на экране рисуется процедурой: PutPixel_G(X[i], Y[i], N);

      Для тестирования работы алгоритма рассмотрим задачу расчета траектории точки, движущегося  из точки с координатами X, Y с начальной  скоростью Vx, Vy под действием сил, вызывающих ускорение точки Ax, Ay. Следуя пунктам 1. . 5 приведенного выше алгоритма  необходимо рассчитать траекторию движения точки и сравнить с траекторией точки, описанной аналитической зависимостью X(t), Y(t).

      Практическое  задание N 2

      Рассчитать  разностным моделированием и по аналитической  зависимости траектории точки. Параметр a = 10, b = 5, 0<= t <=4 * pi, N=500.

      Построить траектории точки.

     Рассмотрим  задачу расчета траектории снаряда, движущегося с начальной скоростью "V 0 " под углом "fi" к горизонту  с учетом сил сопротивления воздуха, пропорциональных скорости снаряда. Проекции ускорений определим в виде функций:

      FUNCTION Fx(Vx, kc : real): real; begin Fx:= - kc * Vx end;

      FUNCTION Fy(Vy, kc : real): real; begin Fy:= - kc * Vy - g end;

      Где kc - коэффициент сопротивления воздуха,

      g = 9. 81, м/с - ускорение свободного  падения у поверхности Земли. 

      Поскольку время подлета снаряда к цели неизвестно, то параметр "dt" выбирается приближенно, например, исходя из максимального  времени полета снаряда над горизонтальной поверхностью без учета сопротивления  воздуха: tмах= 2 * V * sin(fi)/g. Для N = 500, dt = t/500. При решении конкретных задач  процесс расчета прекращается при  достижении снарядом цели, либо при  ограничениях по статическим координатам, например:

      i:= 1;

      REPEAT i:=i+1;

      {операторы  расчета массивов скорости, ускорения  и координат точки }

      Until (cc = GetPixel_G(X[i], Y[i])) or ( Y[i] < 0 ) or ( i = N );

      Здесь cc - цвет пикселов цели, Y[i] < 0 - ограничение  по горизонтальной поверхности, i = N - ограничение  по размеру массива. В случае преждевременного завершения полета снаряда необходимо увеличить dt или параметр N.

      Практическое  задание N 3

      1. Рассчитать разностным моделированием  и по аналитической зависимости  траектории полета снаряда без  учета сопротивления воздуха.  Построить траектории полета  снаряда. Начальная скорость V 0 =1000, м/с, угол fi=450. Аналитическая зависимость  имеет вид: 

      X = V 0 * t * cos(fi); Y = V 0 * t * sin(fi) - g * t 2 /2;

      2. Рассчитать разностным моделированием  и по аналитической зависимости  траектории полета снаряда с  учетом сопротивления воздуха,  пропорциональным скорости снаряда.  Построить траектории полета  снаряда. Начальная скорость V 0 =3000, м/с, угол fi = 45 0 . Коэффициент сопротивления  воздуха kc = 0. 01,с - 1 .

      Аналитическая зависимость имеет вид:

      X=V 0 * cos(fi) * (1-e (-kc * t) )/kc; Y=(V 0 * sin(fi)+g/kc) * (1-e (-kc * t) )/kc-g * t/kc;

      3. Рассчитать разностным моделированием  траектории полета снаряда с  учетом сопротивления воздуха,  пропорциональным квадрату скорости  снаряда. Коэффициент сопротивления  воздуха kc 1 = kc 2 . Построить совместно  траектории полета снаряда для  п. 1, 2, 3. Начальная скорость V 0 = 3000, м/с,  угол fi = 45 0 .

      4. Составить программу поражения  неподвижной цели при kc 1 = kc 2 . Изменяя в цикле угол fi на небольшую  величину, определить в программе  угол при котором будет поражена  цель - небольшой прямоугольник с  координатами вершин (x1, y1) и (x2, y2). Построить все траектории полета  снаряда. 

      Рассмотрим  задачу расчета траектории космического тела , в поле тяготения планеты  без учета сил сопротивления. В начальный момент времени тело движется на высоте "Н" со скоростью "V 0 ", направленной по касательной  к окружности радиуса R 0 . Поскольку  движение спутника вокруг планеты достаточно продолжительно, то не целесообразно  запоминать в оперативной памяти все параметры (координаты, скорости и ускорения) в каждый момент времени. Обычно эти параметры, записываются в файл на диск при вычислениях  через некоторые моменты времени, а траекторию строят сразу, либо запуская отдельную программу, считывающую  данные из файла. Расчетная область  задается исходя из оценочных расчетов. Для спутника, движущегося вокруг Земли, можно принять:

      Xmin= Ymin= - Kv * R 0 , Xmax= Ymax= Kv * R 0 ,

      Здесь R 0 = (Rz+H), Rz=6. 37 * 10 6 , м. - радиус Земли.

      Kv=1. 5 при V 0 <= W 1 ; Kv=10 при W 1 < V 0 < W 2 ; Kv=20 при V >= V 2 .

      W 1 = Rz * O ( g/R 0 ) - первая космическая  скорость,

      W 2 = O 2 * W 1 - вторая космическая скорость.

      Параметр "dt" можно определить приближенно  по формуле: dt=T/N,

      где T= 6. 28 * Rz/W 1 - время оборота спутника вокруг Земли, N=300.

      Расстояние  от спутника до центра планеты определяется через координаты:

      function R(x, y: double): double; begin R:= sqrt(x * x + y * y) end;

      Проекции  ускорений определим в виде функции:

      function FA(x,r,kz: double):double; begin FA:= -kz * x/(r * r * r) end;

      Здесь kz = 4. E+14 для Земли (в системе СИ).

      Пусть в начальный момент времени известны координаты спутника:

      x 1 = R 0 ; y 1 = 0; r 1 = R(x 1 , y 1 );

      скорость: Vx 1 = 0; Vy 1 = V 0 ;

      и ускорение: Ax 1 = FA(X 1 , r 1 , kz); Ay 1 = FA(Y 1 , r 1 , kz);

      Отметим, что скорость в начальный момент времени направлена по касательной  к окружности радиуса r 1 .

      Для записи алгоритма расчета траектории необходимо знание параметров в двух соседних точках, например, в точке "1" - для предшествующего момента  времени и в точке "2" - для  расчетного момента времени. Расчет производим в цикле с одновременным  выводом траектории движения спутника на экран до тех пор пока выполняется  ограничение по радиусу траектории или не нажата любая клавиша.

      While ( r1< Xmax ) or ( r1> Rz ) or ( not keyPressed ) do begin

      Vx2:= Vx1 + Ax1 * dt; Vy2:= Vy1 + Ay1 * dt;

      X2:= X1 + 0.5 * (Vx1 + Vx2) * dt;

      Y2:= Y1 + 0.5 * (Vy1 + Vy2) * dt; r2:= R(x2, y2);

      Ax2:=FA(X2, r2, kz);

      Ay2:=FA(Y2, r2, kz);

      Vx2:= Vx1 + 0.5 * (Ax1 + Ax2) * dt; { уточняем скорость }

      Vy2:= Vy1 + 0.5 * (Ay1 + Ay2) * dt;

      { Переопределяем значения параметров  в точке }

      x1:= x2; y1:= y2; r1:= r2;

      Vx1:= Vx2; Vy1:= Vy2; Ax1:= Ax2; Ay1:= Ay2

      PutPixel_G(x1,y1,c); (Строим траекторию движения точки, c - цвет точки)

      end;

      Практическое  задание N 4

      1. Рассчитать разностным моделированием  и по аналитической зависимости  траектории полета спутника Земли.  Аналитическая зависимость имеет  вид: 

      r = P/(1 + e * cos(fi));

      где e = P/R 0 - 1; P = (V 0 * R 0 /Rz) 2 /g ; 0 <= fi = 2 * Pi.

      В начальный момент времени известны координаты спутника: x 1 = R 0 ; y 1 = 0;

      и скорость: Vx 1 = 0; Vy 1 = V 0 ; Рассмотреть  случаи:

      1_1. Начальная скорость V 0 <= W 1 , высота H = 300000, м .

      1_2. Начальная скорость W 1 <= V 0 < W 2 , высота H = 400000, м .

      1_2. Начальная скорость V 0 >= W 2 , высота H = 500000, м .

      Примечание: Построить траектории полета спутника. Через равные промежутки времени  выводить на экран время полета спутника, скорость и высоту.

      2. Рассчитать разностным моделированием  и построить траектории полета  спутника вокруг двух планет (типа  “Земля”), при V 0 < W 2 , в случаях:

     3. Рассчитать разностным моделированием  и построить траектории полета  двух планет типа “Земля”  и их центра масс, при V 0 < W 2 , в случаях: 

     Рассмотрим  задачу расчета траектории точки  переменной массы , движущегося под  действием реактивной тяги. Движение точки в этом случае описывается  уравнением Мещерского:

      A = (U/M) * (dM/dt) + F/M

      Где A - ускорение точки, M - масса точки.

      U - скорость реактивной струи относительно  точки, 

      F - результирующая внешних сил,  действующих на точку, 

      Учитывая, что F = kz * M/r 2 - сила притяжения направлена к центру Земли, а P = U * (dM/dt) - реактивная сила двигателя (тяга) направлена по касательной  к траектории движения, определяем проекции ускорения на оси координат:

      Ax = P * Vx/(M * V) - kz * x/(r 3 ); Ay = P * Vy/(M * V) - kz * y/(r 3 );

      Где V = O (Vx 2 + Vy 2 ) - скорость точки,

      r = O ( x 2 + y 2 ) - расстояние до центра  Земли, 

      Vx , Vy - проекции скорости точки на  оси координат, x, y - координаты точки. 

      Полагая расход топлива  z = dM/dt постоянным, массу  точки можно определить по формуле: M = M 0 - z * t; при t < Tk ,

      где M 0 - начальная масса точки, Tk - время  работы двигателя.

      Практическое  задание N 5

      1. Построить десять траекторий  полета баллистической ракеты, рассчитанных  разностным моделированием. Начальная  скорость V 0 =1,м/с, тяга двигателя  P=2. 5Е6,н, стартовая масса M 0 = 1. 5Е5, кг, расход топлива z= 700, кг/с,  время работы двигателя Tk = 200, с. 

      2. Построить траектории полета  двухступенчатой баллистической  ракеты, рассчитанные разностным  моделированием. Начальная скорость V 0 = 1,м/с, стартовая масса M 0 = 3Е5, кг, для первой ступени: тяга P 1 =5Е6, н, расход топлива z 1 = 1700, кг/с, время работы двигателя  Tk 1 = 130, с. Для второй ступени:  тяга P 2 = 1. 1Е6, н, расход топлива  z 2 = 300, кг/с, время работы двигателя  Tk 2 = 230, с. 

      3. Построить траекторию полета  спутника Земли при включении  двигателя, рассчитанную разностным  моделированием. Начальные условия  на высоте H=400000 м принять следующие:  скорость V 0 =W 1 и направлена по  касательной к окружности, M 0 =11000, кг, тяга двигателя P=4Е5, н, расход  топлива z=100, кг/с, время работы  двигателя Tk = 70, с. Рассчитать  скорость спутника при работе  двигателя по формуле Циолковского: V = V 0 + U * ln(M 0 /M) , где U = P/z .

      Через каждые 10 секунд выводить на экран время  полета спутника и скорость.

      Рассмотрим  задачу расчета траектории точки, прикрепленной  к упругой нити , и движущейся с начальной скоростью "V 1 " под углом "fi" к оси "x" из точки с координатами (x 1 , y 1 ), без  учета сил сопротивления воздуха. Эта задача моделирует известную  игрушку - мяч, привязанный на резинке.

      Пусть точка имеет массу "M", длина  нити "L". Полагаем, что нить невесома и абсолютно упруга. Коэффициент  упругости "Kn".

     Оси координат проведем через точку  закрепления нити вверх и влево. Расчетную область ограничим: X_min = Y_min = - Lm, X_max = Y_max = Lm,

      где Lm = abs(V 1 * O (M/Kn)) + O (x12 + y12) + L + 2 * M * g/Kn.

      Период  свободных колебаний груза,

      подвешенного  на упругой нити:

      T = 6, 28 * O (M/Kn). Примем dt = T/300.

      Проекции  ускорения определяются как дискретная функция расстояния " r " от начала координат до точки закрепления  нити: если r <= L, то ускорение от сил  упругости равно нулю, в остальных  случаях:

      Ax = -x * Ky * dr/(r * M);

      Ay = -y * Ky * dr/(r * M) - 9.81; где dr = (r-L) > 0.

      Проекцию  ускорения на ось “Х” от сил  упругости, запишем в виде функции:

      FUNCTION FA(x, r, L, Kn, M: double): double;

      begin if (r-L)>0 then FA:= -x * Kn * (r-L)/(r * M) else FA:= 0 end;

      Аналогичная функция составляется для проекции ускорения на ось “У”. Методика расчета соответствует приведенной  для движения спутника в поле тяготения  планеты.

      Практическое  задание N 6

      1. Построить траекторию движения  мяча, подвешенного на упругой  нити в вязкой среде, рассчитанную  разностным моделированием. Сопротивление  среды пропорционально скорости  движения мяча: kc=0. 01, с - 1 . Нить  закреплена в центре квадрата  со стороной 2 * Lm, длина нити L=1, м,  коэффициент упругости Kn=5, н/м.  Масса мяча M=0. 2, кг . Мяч начинает  движение из точки с координатами x 1 = - 0. 5 * L, y 1 =0, со скоростью V 1 =10, м/с, под углом 45 0 .