Моделирование физических процессов | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Щепотьева Ю. Г., Валиева Э. И. Моделирование физических процессов [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2015 г.). — М.: Буки-Веди, 2015. — С. 16-19. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/124/7013/ (дата обращения: 18.09.2018).

Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов, явлений в различных областях. Результаты этих исследований служат для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизации старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности. [1]

Физика, как учебная дисциплина, предоставляет наиболее широкий спектр применения ЭВТ в качестве средства обучения. Это моделирование физических процессов (демонстрационное и лабораторное), обучающие системы, компьютерный контроль, тренажеры, генераторы индивидуальных заданий при решении задач. Также это могут быть справочно-информационные системы, системы управления экспериментом и, наконец, проведение различных расчетов (в частности, при обработке результатов лабораторного практикума). [2]

Использование компьютера как инструмента учебной деятельности дает возможность переосмыслить традиционные подходы к изучению многих вопросов естественнонаучных дисциплин, усилить экспериментальную деятельность, приблизить процесс обучения к реальному процессу познания, основанному на технологии моделирования. [3]

Решение задач из различных областей деятельности человека на компьютере базируются не только на знаниях технологии моделирования, но, естественно, и на знаниях данной предметной области. Создание компьютерных моделей физических явлений и процессов является одной из эффективных форм реализации практической и исследовательской деятельности учащихся.

Рассмотрим моделирование построения изображения в собирающей и рассеивающей линзе.

Собирающая линза. В средней части толще и отклоняет лучи к оптической оси, если показатель преломления линзы больше показателя преломления среды (рис. 1).

соб линза

Рис. 1. Собирающая линза

 

Формула тонкой линзы:

                                                                                                                    (1)

находим расстояние от предмета до линзы:

                                                                                                                      (2)

расстояние от линзы до изображения:

                                                                                                                     (3)

здесь d — расстояние от предмета до линзы;

f — расстояние от линзы до изображения

F- фокус

Для нахождения высоты изображения используем формулу (1), выразим из нее h.

                                                                                                                          (4)

где H — высота предмета,

d — расстояние от линзы до предмета,

f — расстояние от линзы до изображения.

Таким образом, что бы найти расстояние от линзы до изображения необходимо воспользоваться формулой (3), а для нахождения высоты изображения формулой (4).

Рассеивающая линза (рис. 2). Формулу рассеивающей линзы можно получить из формулы (1). Для этого условимся считать положительными величины d (от предмета до линзы), f (от линзы до изображения) и F (от линзы до фокуса), если они направлены в сторону падающих лучей. Тогда в формуле (1) для собирающей линзы все члены положительны, для рассеивающей — расстояние от предмета до линзы положительно, d > 0, а расстояния от линзы до изображения и до фокуса отрицательны (f < 0, F < 0). Если перейти к абсолютным значениям расстояний, то получим

рас линза

Рис. 2. Рассеивающая линза

 

Для начало в переменные d, h1,f1 считываем данные из соответствующих Edit, при этом переводим значения из строковых величин в числовые.

d:=strtoint(edit1.Text);

Очищаем Image1 для этого свойству Picture присваиваем пустую ссылку

image1.Picture:=nil;

Находим середину Image

x0:=image1.width div 2;

y0:=image1.height div 2;

Для рисования оси Ox устанавливаем у карандаша цвет серый и толщину пера 2.

Pen.Color:=clSilver;

Pen.Width:=2;

С помощью процедур MoveTo и LineTo строим ось Ox MoveTo(10, y0); LineTo(2*x0–10, y0);

Далее меняем цвет пера на синий и строим линзу в зависимости от выбранной линзы: рассеивающую и собирающую.

Pen.Color:=clBlue;

if radiogroup1.ItemIndex =0 then

with image1.Canvas do

begin

MoveTo(x0, 20); LineTo(x0, 2*y0–20);

MoveTo(x0, 20); LineTo(x0–5, 10);

MoveTo(x0, 20); LineTo(x0+5, 10);

MoveTo(x0, 2*y0–20); LineTo(x0+5,2*y0–10);

MoveTo(x0, 2*y0–20); LineTo(x0–5,2*y0–10);

end

else begin

with image1.Canvas do

begin

MoveTo(x0, 10); LineTo(x0, 2*y0–10);

MoveTo(x0, 10); LineTo(x0–5, 20);

MoveTo(x0, 10); LineTo(x0+5, 20);

MoveTo(x0, 2*y0–10); LineTo(x0+5,2*y0–20);

MoveTo(x0, 2*y0–10); LineTo(x0–5,2*y0–20);

end;

После построения линзы строим 2 луч. Первый луч проходит через вершину объекта и параллелен оси Ox, второй луч проходит через вершину объекта и центр линзы.

MoveTo(x0-d,y0-h1); LineTo(x0–1,y0-h1);

MoveTo(x0–5,y0-h1–3); LineTo(x0–1,y0-h1);

MoveTo(x0–5,y0-h1+3); LineTo(x0,y0-h1);

MoveTo(x0-d,y0-h1); LineTo(x0+d,y0+h1);

MoveTo(x0+d,y0+h1); LineTo(x0+d-2,y0+h1–7);

MoveTo(x0+d,y0+h1); LineTo(x0+d-7,y0+h1+1);

И строим луч, проходящий через фокус и точку пересечения луча параллельного оси Ox и линзы. При этом стиль линий меняем на штрихпунктирный

pen.Style:=psDot;

MoveTo(x0-f1,y0);LineTo(x0,y0-h1);

pen.Style:=psSolid;

MoveTo(x0,y0-h1);LineTo(x0+f1 div 4,y0-h1-h1 div 4);

MoveTo(x0+f1 div 4,y0-h1-h1 div 4);

LineTo(x0+f1 div 4–7,y0-h1-h1 div 4+2);

MoveTo(x0+f1 div 4,y0-h1-h1 div 4);

LineTo(x0+f1 div 4–2,y0-h1-h1 div 4+7);

Далее строим объект в виде стрелочки, и заливаем его синим цветом.

MoveTo(x0-d+3,y0); LineTo(x0-d+3,y0-h1+6);

MoveTo(x0-d-3,y0); LineTo(x0-d-3,y0-h1+6);

MoveTo(x0-d+3,y0-h1+6); LineTo(x0-d+7,y0-h1+6);

MoveTo(x0-d-3,y0-h1+6); LineTo(x0-d-7,y0-h1+6);

MoveTo(x0-d-7,y0-h1+6); LineTo(x0-d,y0-h1);

MoveTo(x0-d+7,y0-h1+6); LineTo(x0-d,y0-h1);

MoveTo(x0-d-3,y0); LineTo(x0-d+3,y0);

Brush.Color:=clBlue;

FloodFill(x0-d,y0–5,clBlack, fsBorder);

Для построения изображения вначале находи высоту изображения и расстояние до него от линзы.

f2:=round(1/(1/d+1/f1));

h2:=round(h1*f2/d);

После этого строим изображение и закрашиваем его красным цветом

MoveTo(x0-f2+3,y0); LineTo(x0-f2+3,y0-h2+4);

LineTo(x0-f2+5,y0-h2+4);

LineTo(x0-f2,y0-h2);

MoveTo(x0-f2–3,y0); LineTo(x0-f2–3,y0-h2+4);

LineTo(x0-f2–5,y0-h2+4);

LineTo(x0-f2,y0-h2);

MoveTo(x0-f2–3,y0); LineTo(x0-f2+3,y0);

Brush.Color:=clRed;

FloodFill(x0-f2,y0–5,clBlack, fsBorder);

Построения изображения для рассеивающий линзы происходит аналогичным образом.

Рис. 3. Интерфейс приложения для изображения в тонкой линзе

 

Литература:

 

1.         Особенности компьютерного моделирования. (http://life-prog.ru/1_14515_osobennosti-kompyuternogo-modelirovaniya.html)

2.         Ахметов A. K., Калманова Д. М., Мендалиева Ш. О. «Компьютерное моделирование физических процессов». (http://www.rusnauka.com/14_NPRT_2011/Informatica/3_87168.doc.htm)

3.                  Компьютерное моделирование и реальный эксперимент на уроках физики как повышение мотивации к изучению предмета. (http://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2012/01/28/kompyuternoe-modelirovanie-i-realnyy-eksperiment-na-urokakh-fiziki)

Основные термины (генерируются автоматически): линза, рассеивающая линза, собирающая линза, изображение, расстояние, нахождение высоты изображения, Решение задач, Построение изображения, тонкая линза, луч.

Похожие статьи

Распознавание световых пятен лазера на изображении

Описывается алгоритм нахождения центра масс. Ключевые слова: обработка изображений, распознавание образов, световое пятно

Очевидно, что при решении сложных задач, на этапе сегментации, предшествующему более высоким этапам обработки изображений...

Модернизация робота-хирурга Da-Vinci | Статья в журнале...

Кроме того, линза 8 объектива может оптимизировать дистанцию обзора, например, до

Изображения от камеры 4 могут быть переданы от устройства по кабелю 9. Например

Таким образом, данное решение предоставит хирургам бесконтактный доступ к критически важным и...

Оптическая система для обнаружения пожаров | Статья в журнале...

Для тонкой линзы, находящейся в воздухе ( ), справедливая приближенная зависимость. У собирающих линз , у рассеивающих . Чем больше оптическая сила, тем ближе к линзе располагается изображение и тем оно меньше.

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Решение задач. 4. Изображение, даваемое линзой. Построение параллельных прямых, пересечение трех прямых в точке. Построение изображений в линзах. Решение задач. 11 класс.

Вычисление расстояния до наблюдаемого объекта по...

Рис. 8. Изображение сцены с наблюдаемыми объектами (стол, три книги и доска, расположенные на расстоянии друг от друга).

Численные методы для решения задачи о нахождении выпуклой...

Объектив телескопа ­ рефрактора состоит из одних линз.

Сейчас в рефракторах используют ахроматические объективы ­ собирающая линза склеивается из двух сортов стекла, которые взаимно почти уничтожают хроматизм друг друга благодаря разному коэффициенту преломления лучей.

Фотография — секунда твоей жизни | Статья в журнале...

Впервые эту задачу удалось решить Нисефору Ньепсу в 1827 году. В качестве светочувствительного материала, он

Композиция — это совершенно определенная организация изображения в кадре, организация, которая решает некую сверхзадачу.

Основные понятия геометрической оптики | Статья в журнале...

Наблюдать можно лишь световые пучки, но не лучи, потому что световые лучи — это тоже идеализация, удобная для различных геометрических построений и расчетов.

Такие изображения называются точечными или стигматическими.

Разработка структуры и алгоритма встроенного программного...

...и объектив, пригодный для фотосъёмки изображения высокого разрешения на сравнительно малом расстоянии от объектива.

На рис. 2 применены следующие обозначения: 1 — подвижное зеркало в положении для прямого осмотра, 2 — линза фотоматрицы, 3...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Распознавание световых пятен лазера на изображении

Описывается алгоритм нахождения центра масс. Ключевые слова: обработка изображений, распознавание образов, световое пятно

Очевидно, что при решении сложных задач, на этапе сегментации, предшествующему более высоким этапам обработки изображений...

Модернизация робота-хирурга Da-Vinci | Статья в журнале...

Кроме того, линза 8 объектива может оптимизировать дистанцию обзора, например, до

Изображения от камеры 4 могут быть переданы от устройства по кабелю 9. Например

Таким образом, данное решение предоставит хирургам бесконтактный доступ к критически важным и...

Оптическая система для обнаружения пожаров | Статья в журнале...

Для тонкой линзы, находящейся в воздухе ( ), справедливая приближенная зависимость. У собирающих линз , у рассеивающих . Чем больше оптическая сила, тем ближе к линзе располагается изображение и тем оно меньше.

Межпредметные связи физики и математики при изучении...

Решение задач. 4. Изображение, даваемое линзой. Построение параллельных прямых, пересечение трех прямых в точке. Построение изображений в линзах. Решение задач. 11 класс.

Вычисление расстояния до наблюдаемого объекта по...

Рис. 8. Изображение сцены с наблюдаемыми объектами (стол, три книги и доска, расположенные на расстоянии друг от друга).

Численные методы для решения задачи о нахождении выпуклой...

Объектив телескопа ­ рефрактора состоит из одних линз.

Сейчас в рефракторах используют ахроматические объективы ­ собирающая линза склеивается из двух сортов стекла, которые взаимно почти уничтожают хроматизм друг друга благодаря разному коэффициенту преломления лучей.

Фотография — секунда твоей жизни | Статья в журнале...

Впервые эту задачу удалось решить Нисефору Ньепсу в 1827 году. В качестве светочувствительного материала, он

Композиция — это совершенно определенная организация изображения в кадре, организация, которая решает некую сверхзадачу.

Основные понятия геометрической оптики | Статья в журнале...

Наблюдать можно лишь световые пучки, но не лучи, потому что световые лучи — это тоже идеализация, удобная для различных геометрических построений и расчетов.

Такие изображения называются точечными или стигматическими.

Разработка структуры и алгоритма встроенного программного...

...и объектив, пригодный для фотосъёмки изображения высокого разрешения на сравнительно малом расстоянии от объектива.

На рис. 2 применены следующие обозначения: 1 — подвижное зеркало в положении для прямого осмотра, 2 — линза фотоматрицы, 3...

Задать вопрос