Программы для компьютерного моделирования физических процессов

Обновлено: 07.07.2024

Все мы знаем, что физика – наука экспериментальная. И наглядная д емонстрация физических явлений или процессов на уроках является основой обучения физики в школе. Она способствуют созданию физического мышления у обучающихся, делает более понятными объяснения учителя при изложении нового материала, пробуждает познавательный интерес у обучающихся к предмету.

В условиях школьной лаборатории не всегда возможно продемонстрировать физические процессы или провести эксперименты. Причины на то могут быть разные:

отсутствие необходимого оборудования;
опасность проведения эксперимента в данных условиях;
невозможность проведения демонстрации в реальных условиях.

Конечно, можно объяснить физическое явление по картинкам или «на пальцах», но будет ли от этого результат? Насколько правильно представят то или иное явление ученики? Чтобы понять физическое явление, а потом уметь его объяснить, необходимо его визуально представить. Визуальное представление физического явления или процесса позволяет ученику лучше его запомнить и изучить. Именно поэтому на каждом уроке физики должна присутствовать демонстрация, визуальное представление физических явлений. И если это невозможно провести в данных условиях, то значит нужно использовать компьютерную демонстрацию. А я бы еще добавил – нужно использовать!

С помощью компьютера возможно создавать не только статические модели физических явлений в виде иллюстраций, но и динамические модели. А эффективнее всего использовать в учебном процессе интерактивные компьютерные модели, которые позволяют замедлить или ускорить ход времени, увеличить или уменьшить, повторить или изменить ситуацию. Интерактивные компьютерные модели, используемые в индивидуальной работе, например, в модели «1 ученик – 1 компьютер», позволяют каждому ученику изучать физическое явление в собственном темпе. Когда компьютерной моделью управляет учитель на интерактивной доске, ученик просто пассивно наблюдает, при этом у каждого ученика своя скорость восприятия. Но когда ученики будут самостоятельно управлять компьютерной моделью, то это уже позволит увеличить степень усвоения получаемой учебной информации и повысить познавательную активность.

Компьютерная модель явления фотоэффекта

Фотоэффект достаточно сложное для понимания учениками физическое явление в силу того, что невозможно пронаблюдать явление выбивания электронов с поверхности металла частицами света. В условиях школьной лаборатории можно лишь провести сам эксперимент явления фотоэффекта с вольт-амперной характеристикой, и то только при наличии соответствующего оборудования. Но увидеть, что происходит в реальности невозможно, это можно только смоделировать на компьютере.

Компьютерная модель двигателя внутреннего сгорания

Изучение принципа работы двигателя внутреннего сгорания на статической модели достаточно сложно для понимания учениками. Реальный двигатель в классе запустить невозможно, да еще в разрезе, чтобы увидеть, что происходит внутри самого двигателя. Нужно иметь хорошее воображение, чтобы это все представить. Намного эффективнее для усвоения, когда ученики изучают динамическую модель и могут ею сами управлять.

Компьютерная модель деления ядер урана

А вот проведение ядерных реакций вообще невозможно ни при каких условиях. Явления, которые протекают на атомном уровне не только опасны, но и визуально недоступны для наблюдения. Здесь также поможет компьютерное моделирование. Моделирование деления ядер урана позволяет учащимся увидеть сам процесс протекания ядерной реакции в динамике.

Компьютерные модели можно использовать в разных технологиях обучения, о чем поговорим позже.

В набор для компьютерного моделирования физических процессов StartFlow входят следующие программы:

Газодинамический и тепловой симуляторы
Гравитационные и электростатические симуляторы
Маятники
Колебание струн и продольные колебания
Полет снаряда
Тепловой стержень
Имитационное моделирование теплопроводности
Имитационное моделирование газовых процессов

Приобрести полную версию можно здесь. Для этого нужно:

После того, как Вы скачаете набор программ, Вам будет необходимо купить лицензию (лицензионный ключ). После оплаты на Ваш почтовый ящик придет письмо с ключом.

2. Купить лицензию

Когда у Вас уже будет ключ, Вам нужно будет зайти в папку "Получение лицензии" и запустить программу "Получение лицензии.exe". Введите Ваш ключ и следуйте дальнейшим указаниям.

1. Газодинамический и тепловой симуляторы StartFlow

Газодинамический симулятор StartFlow идеально подходит для преподавания таких разделов школьной программы по физике, как молекулярная физика, термодинамика, механические волны, звук, течения жидкостей и газов.

Газодинамический симулятор StartFlow - это уникальный продукт на рынке программного обеспечения. Являясь серьезной научной разработкой, он максимально адаптирован к использованию в школьном образовании. Интерфейс газодинамического симулятора разрабатывался специально для школы, и поэтому он очень прост в использовании и имеет большие графические возможности. Удобство, лёгкость использования и интуитивно понятный интерфейс позволяют несколькими движениями мыши запустить моделирование интересуемого газодинамического процесса.

Тепловой симулятор предназначен для моделирования процессов теплопередачи в твердых телах.

2. Гравитационные и электростатические симуляторы

Гравитационный симулятор предназначен для моделирования движения планет в космическом пространстве. С его помощью можно смоделировать процесс вращения планет и других небесных тел вокруг звезды.

Компьютерное моделирование даст наглядное представление о том, как движутся космические тела по вытянутым эллиптическим орбитам. Математическая модель, основанная на законе гравитационного притяжения, даст возможность исследовать редкие и необычные поведения небесных тел, когда их гравитационное взаимодействие друг с другом вынуждает их менять свои орбиты.
Более подробно о гравитационном симуляторе…

Электростатический симулятор предназначен для моделирования движения заряженных тел и визуализации параметров электростатического поля, создаваемого этими телами.

3. Маятники

Программа для моделирования движения маятника позволяет проводить полный анализ колебательной системы, рассчитывая ее основные характеристики: изменение с течением времени кинетической и потенциальной энергий, веса груза, фазовую траекторию.

4. Колебание струн и продольные колебания

При изучении такого раздела физики как поперечные волны очень наглядным и показательным будет проведение компьютерного моделирования колебания натянутой струны. В программе «StartFlow Колебание струны» можно задавать различные способы натяжения струны, способы закрепления концов струны, коэффициент ее упругости

Программа "Продольные колебания" предназначена для моделирования продольных колебаний в системе тел, соединенных упругими пружинами.

5. Полет снаряда

Данная программа предназначена для моделирования полета снаряда при выстреле. Моделирование полета снаряда проводится в реальном времени. В программе предлагается в игровой форме исследовать зависимость дальности полета снаряда от угла выстрела.

6. Тепловой стержень

Программа "StartFlow Тепловой стержень" предназначена для моделирования процесса теплопередачи в стержне. Задавая такие параметры материала стержня, как теплопроводность теплоемкость и плотность, а также задавая различные температурные условия на концах стержня, можно наглядно визуализировать процесс изменения температуры по длине стержня.

С помощью этой программы можно также моделировать процессы теплопередачи в одномерной постановке, например распространение тепла вглубь объемного тела. Примером такой одномерной задачи может служить прогрев почвы от
поверхности вглубь.

7. Имитационное моделирование теплопроводности

Имитационная модель, заложенная в эту программу, позволяет моделировать процессы твердотельной теплопроводности. Особенностью данной имитационной модели является то, что она может рассчитывать передачу тепла в материале со сложной пористой структурой. То есть появляется возможность исследовать изменение теплопроводящих свойств материала при появлении в нем той или иной пористой структуры. А ведь все теплоизолирующие материалы, в том числе и одежда, которую носит человек, являются материалами с большой пористостью.

То есть данная программа в основном нацелена качественное изучение процессов теплообмена в пористой среде с целью повышения уровня понимания школьниками физических основ процессов, связанных с теплообменом.

8. Имитационное моделирование газовых процессов

В данной программе используется одна из самых простых имитационных моделей газа, позволяющая проводить моделирование физических процессов на молекулярном уровне. Не смотря на свою простоту, эта модель наглядно иллюстрирует то, как взаимодействие большого количество молекул на микроуровне приводит к формированию газодинамических процессов на макроуровне, которые мы уже можем наблюдать (ударные волны, течения газа).

Суть данной имитационной модели (она называется НРР-газ) заключается в том, что она использует намного меньшее количество молекул газа, чем понадобилось бы в реальности для получения макро эффектов (явлений на макроуровне). Модели данного класса (к этому классу относится и НРР-газ) называются «решетчатыми газами», они позволяют проводить моделирование на микроуровне с помощью персональных компьютеров. Тогда как моделирование поведения молекул «в прямую», то есть со всеми теми свойствами, которые они имеют в реальности, и с тем их-количеством, которое требуется для обнаружения макро эффектов, потребовало бы огромных вычислительных ресурсов.

Моделирование физических процессов — это возможность воспроизводить различные эксперименты в виртуальной среде при помощи специальной программы, которая позволяет в игровой форме изучать физику реального мира. Подобное моделирование также может быть просто увлекательным занятием при избытке свободного времени.

Несомненно, реальные физические опыты всегда интереснее виртуальных, но моделировать физику в компьютере намного проще и дешевле (в данном случае - вообще бесплатно) и можно использовать такие интересные эффекты, как замедление времени, масштабирование и т.д.

Phun 5.28

Весьма занимательная программка, позволяющая моделировать всевозможные механические системы и ситуации в двухмерном пространстве, простыми движениями мыши.

Шекспир когда-то сказал: "Весь мир — театр, а люди в нем — актеры". Это если исходить с позиции художественного образа мышления. Если же посмотреть на мир с научной точки зрения, то можно перефразировать великого драматурга: "Весь мир — природа, а люди в ней объекты":). А при чем тут природа? Да при том, что по-гречески "природа" будет "физис", а отсюда и название главной науки обо всем сущем — "физика".

Физические явления окружают нас с самого раннего детства, и у каждого ребенка рано или поздно возникают разнообразные вопросы: "Почему светит солнце? Почему идет дождь? Почему бутерброд всегда падает на пол, а не зависает в воздухе? :)". И по мере взросления ребенок, пытаясь получить ответы на эти вопросы, методом "научного тыка" познает окружающий его мир и законы его существования. Но не всегда такие эксперименты заканчиваются безболезненно.

Именно для того, чтобы можно было безопасно, для ребенка и для окружающего его мира :), смоделировать любой физический процесс, я рекомендовал бы использовать программу Phun.

Доступная на сегодняшний день версия 5.28 — это довольно симпатично оформленная среда для механического моделирования. Несмотря на кажущуюся несерьезность (программа оформлена в виде детского рисунка), Phun — довольно правдоподобно имитирует реальные физические условия (можно моделировать ситуации в условиях антигравитации, в воздушном и безвоздушном пространстве и т. д.).

Установка программы для моделирования механических процессов Phun

Но обо всем в свою очередь. Сейчас мы установим и попробуем разобраться с программой. Для этого скачиваем установочный дистрибутив Phun, запускаем инсталлятор и ждем, когда все установится :).

Сразу оговорюсь, если у Вас старый компьютер с довольно слабенькой видеокартой, то Phun в таком случае будет заметно притормаживать. Хотя заявлена поддержка (правда более ранней 4-ой версии) видеокарт с 32 МБ памяти, на моем компьютере со 128 МБ программа иногда подвисала довольно ощутимо. Я думаю, что оптимальный вариант будет около 256 МБ.

Пока мы с Вами говорили, Phun уже установилась и жаждет запуска. Не знаю, баг ли это в программе или косяк с моей системой в частности, но когда я согласился на запуск программы сразу после установки, то она на меня ругнулась и отказалась запускаться. Пришлось запускать ее вручную (стартовала без проблем :)).

Русификация программы

Перед нами окно программы с приветственным проектом:

Программа по умолчанию — английская, но в пятой версии появилась и русская локализация. Чтобы русифицировать Phun, заходим в меню "File" и в пункте "Change language" выбираем опцию "Russian". Готово!

Теперь, когда мы имеем дело с русской версией, рассмотрим элементы управления программой.

Интерфейс программы

В самом верху Вы видите немного стилизированную, но привычную по другим приложениям строку меню.

Меню "Файл" позволяет настроить сцену под проект (сохранить, очистить), загрузить или создать новую сцену, сменить язык, переключить вид, проверить обновления, скачать дополнительные сцены или купить полную версию (хотя зачем, если и бесплатной хватает с головой).

Меню "Инструменты", "Управление" и "Контекстное меню" позволяют скрыть или отобразить соответствующие вкладки программы.

Здесь собраны все те приспособления, при помощи которых мы будем создавать нужные нам для эксперимента объекты. Вся панель разделена на три зоны: в первой зоне инструменты для перемещения объектов, во второй — для рисования, а в третьей — для вставки механизмов. Рассмотрим их по порядку.

Первую панель открывает инструмент "Перемещение", который позволяет нам перемещать любые объекты в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Инструмент "Рука" также служит для перемещения, однако может выполнять свою функцию в уже запущенном эксперименте.

Инструмент "Вращение" нужен для вращения объектов вокруг их центра тяжести или крепления. Инструмент "Масштаб" позволяет изменять размеры любых объектов. "Нож" — предназначен для разделения любого предмета на части, причем работает он и в режиме подготовки эксперимента и в режиме проигрывания.

В панели рисования первый инструмент — "Полигон". С его помощью Вы сможете нарисовать любую фигуру "от руки" или ровный многоугольник (для этого зажмите и удерживайте клавишу Shift, чтобы нарисовать ровную линию). Инструмент "Кисть" позволяет рисовать любые линии, фигуры и объекты вручную.

"Прямоугольник" помогает нам нарисовать четкий прямоугольник или квадрат (также зажав Shift), а с инструментом "Круг" Вы всегда сможете начертить ровный круг. Далее идут три специализированных инструмента "Шестерня", "Плоскость" и "Цепь". Все они соответственно создают свои объекты.

Третья панель также предназначена для создания специальных объектов со своими физическими характеристиками. Здесь находятся инструменты "Пружина", "Крепление", "Ось" и "След". Назначение первых троих, я думаю, объяснять не надо, а последний служит для отображения инерционного следа от движения какого-либо объекта, к которому прикреплен инструмент (см. пример Cycloid).

Здесь мы видим нечто похожее на пульт управления стандартным плеером. Здесь есть кнопки реверса (отменить/повторить) и "плей" (соответственно, запустить эксперимент).

Далее находится ползунок масштаба и две кнопки навигации. Масштаб в Phun можно изменять тремя способами: передвигая ползунок, зажав левую кнопку мыши на кнопке (+/-) или колесом мыши, когда она находится над полем эксперимента. Кнопка со стрелками служит для перемещения по рабочему полю. Зажмите ее и, удерживая, перемещайте мышь. Хотя, по-моему, удобнее делать то же самое, зажав кнопку мыши в любом месте на рабочем поле.

Две последние кнопки панели управления служат для создания невесомости и безвоздушного пространства. По умолчанию гравитация соответствует настоящему значению в 9,8 м/с 2 , а сила сопротивления воздуха — 1. Но эти значения легко можно изменить в "Настройках" в подменю "Симулятор". Там же можно установить скорость симуляции (по умолчанию — 1).

Перед тем, как приступать к созданию собственных сцен, следует рассмотреть еще одну немаловажную деталь управления — контекстное меню.

В Phun контекстное меню у Вас всегда на виду, и Вы легко можете изменять свойства любого объекта в реальном времени. В самом общем виде контекстное меню отображается для рабочей области. Здесь мы можем настроить вид сцены, добавить один из готовых объектов на выбор и изменить цвет фона.

Для каждого нового объекта функции будут расширяться, дополняясь такими как клонирование, действия, выбор материала, настройка контуров и т. д.

Теперь мы готовы к работе с Phun, и для начала предлагаю провести небольшой эксперимент, чтобы проверить срабатывает ли в программе закон всемирного тяготения.

Первый эксперимент

Для этого в меню "Файл" выберем "Новая сцена" и нарисуем горизонтальную плоскость (0°). Теперь на одинаковой высоте подвесим два тела побольше и поменьше (для интереса маленький шарик я сделал из метала, а большой из стекла).

Все готово для эксперимента, осталось только нажать "Пуск!". Как видим, оба тела с одинаковой скоростью полетели вниз. Единственным минусом оказалось то, что стеклянный шар не разбился :( (ненатурально получилось). В остальном же тела повели себя так, как и должны были бы настоящие их аналоги.

Более сложные манипуляции с телами и жидкостями

Усложним эксперимент, добавив вместо твердой поверхности, на которую приземляются тела, воду.

Поставим два столба (прямоугольника) и жестко их закрепим. Это будет емкость для нашей воды. Теперь "нальем" в нее саму воду. Чтобы создать воду, достаточно нарисовать между столбами большой предмет, а затем в его контекстном меню выбрать в "Действиях" пункт "Превратить в воду".

Готово! Можно запускать эксперимент.

Готовые сцены

Желаю Вам творческих успехов и всегда удачных экспериментов :)!

И традиционно, флеш-игра, также основанная на некоторой доле физики. Здесь мы управляем магнитным погрузчиком, основная задача которого — погрузить в машину все ящики. Но чем дальше, тем сложнее это сделать.

Оптимизация и анализ поведения реальных устройств и процессов с помощью моделирования

С помощью программного пакета COMSOL Multiphysics ® инженеры и ученые моделируют конструкции, устройства и процессы во всех областях инженерных, производственных и научных исследований.

COMSOL Multiphysics ® — это интегрированная среда численного моделирования, в которой можно выполнить все этапы построения расчетных моделей от создания геометрии, определения свойств материалов и описания физических явлений, до настройки решения и визуализации результатов, что позволяет получать точные и надежные результаты.

Чтобы создавать модели для решения специализированных прикладных и инженерных задач, вы можете дополнять возможности программного пакета COMSOL Multiphysics ® модулями расширения в любом их сочетании. Разработав модель, вы сможете создать на ее основе приложение для моделирования со специализированным интерфейсом для решения типовых задач широким кругом пользователей.

Одна программная среда для любых инженерных задач

Механика конструкций

Гидродинамика

Электродинамика

Химия

Акустика

Теплопередача

Мультифизическое моделирование

Моделирование на основе пользовательских уравнений

Мультифизическое моделирование позволяет получать высокоточные результаты

Успешные инженерные расчеты обычно основаны на экспериментально подтвержденных моделях, которые могут заменить в известной степени и физические эксперименты, и прототипирование, и позволяют лучше понять разрабатываемую конструкцию или изучаемый процесс. По сравнению с проведением физических экспериментов и испытанием прототипов моделирование позволяет быстрее, эффективнее и точнее оптимизировать процессы и устройства.

Пользователи COMSOL Multiphysics ® свободны от жестких ограничений, которые обычно свойственны пакетам для моделирования, и могут управлять всеми аспектами модели. Вы можете творчески подходить к моделированию и решать задачи, сложные или невозможные при обычном подходе, сочетая произвольное число физических явлений и задавая пользовательские описания физических явлений, уравнений и выражений через пользовательский интерфейс (UI).

Точные мультифизические модели учитывают широкий диапазон рабочих условий и большой набор физических явлений. Таким образом, моделирование помогает понимать, проектировать и оптимизировать процессы и устройства с учетом реальных условий их работы.

Упорядоченный рабочий процесс моделирования

COMSOL Multiphysics ® позволяет моделировать в единой программной среде электродинамические и оптические процессы, решать задачи механики конструкций, акустики, гидродинамики, теплопередачи, химии и электрохимии, а также исследовать любые другие физические явления, которые можно описать системами дифференциальных уравнений в частных производных. В одной расчетной модели можно скомбинировать уравнения, описывающие все эти физические явления. Для построения расчетных моделей используется графическая оболочка COMSOL Desktop ® в режиме Model Builder, который содержит полный набор инструментов, обеспечивающий логичное и последовательное выполнение всех этапов моделирования, независимо от типа решаемой задачи.

Сокращение дистанции и разрыва между численным анализом, проектированием и производством с помощью приложений для моделирования

Во многих организациях численным моделированием занимается лишь небольшая группа специалистов, которая помогает в работе многочисленному коллективу проектировщиков и разработчиков или студентам, изучающим физические явления и процессы. Чтобы эта небольшая группа специалистов справлялась с запросами всех своих коллег, COMSOL Multiphysics ® содержит инструменты для разработки приложений. В состав COMSOL Multiphysics ® включена среда разработки приложений, которая позволяет специалистам по моделированию создавать интуитивно понятные специализированные пользовательские интерфейсы на основе комплексных расчётных моделей общего назначения. Мы называем их пользовательскими приложениями.

На основе одной расчетной модели можно создать несколько разных приложений, в каждом из которых входные и выходные данные будут ограничены конкретной прикладной задачей. В приложения можно добавить документацию для пользователей, можно обеспечить контроль входных данных, а также создать готовые формы отчетов. На этапе разработки приложения для моделирования можно запускать через COMSOL Multiphysics ® . Для регулярного использования доступ к приложениям можно предоставить с помощью COMSOL Server™ или COMSOL Compiler™. Оба продукта позволяют поделиться разработанными приложениями с коллегами из производственных отделов, с операторами технологических процессов, с сотрудниками испытательных лабораторий и с клиентами по всему миру. COMSOL Server™ — это инструмент администрирования и управления приложениями, который позволит вам безопасно и надежно развёртывать приложения либо в локальной сети вашей организации, либо в интернете. COMSOL Compiler™ — это дополнение к COMSOL Multiphysics ® для создания автономных приложений, которые можно будет запускать на рабочих станциях или ноутбуках, не имеющих доступа к COMSOL Multiphysics ® или COMSOL Server™.

Читайте также: