Какие физические задачи решаются с помощью компьютерного моделирования назовите не менее 3

Обновлено: 07.07.2024

Что называется моделью? Для чего необходима модель? Какие бывают компьютерные модели? Что такое вычислительный эксперимент?

Моделью называется объект , который заменяет реальный предмет или явление для изучения его свойств . Модель называют инструментом познания объекта .

Известно , что , правильно построенная модель информативнее и доступнее при изучении свойств , чем реальный объект . Существует несколько требований к модели , после выполнения которых модель можно считать информативной . К ним относятся :

наглядность и видимость основных свойств и построения ;
доступность ее для исследования или воспроизведения ;
простота исследования , воспроизведения ;
сохранение информации , содержащейся в оригинале и способность получение новой информации .
Для того , чтобы результаты моделирования можно было использовать при работе с реальным объектом , модель должна быть адекватной , то есть свойства модели должны совпадать со свойствами реального объекта . Смысл замены реального объекта для исследования его моделью в том , что исследовать модель дешевле и проще , к тому же в некоторых случаях безопаснее .

Модель отражает наиболее значимые свойства объекта , оставляя без внимания второстепенными .

К основному предназначению моделирования можно отнести изучение поведения сложных систем физических процессов и явлений . Некоторые объекты и явления не могут быть изучены естественным образом ввиду различных факторов . В других случаях , исследования компьютерных моделей могут предшествовать реальным экспериментам для оценки необходимых ресурсов .

Естественно , модель любого реального явления или объекта недостаточно точна , нежели само явление или объект , но хорошо построенная модель способна отобразить все свойства и нюансы поведения системы в целом . Благодаря отображению всех характеристик объекта разом .

Модель способна научить надлежащим образом управлять реальным объектом путем проб и ошибок . Использовать для этой цели реальный объект бывает невозможно либо рискованно и неоправданно .

Итак , модель необходима для :

Модели можно разделить на вербальные , математические и компьютерные . Вербальные модели представляют собой утверждения , записанные на естественном или формализованном языке , которые описывают изучаемый объект . Математические модели представляют собой совокупность математических операторов и действий с ними , часто это есть система уравнений . Компьютерная модель это программа или их совокупность , которая благодаря математическим преобразованиям имитирует поведение изучаемой системы .

Одним из эффективных способов изучения явлений является научный эксперимент, то есть воспроизведение изучаемого явления в контролируемых условиях, которыми можно управлять. Исследуемый объект часто заменяют компьютерной моделью ввиду большей удобности и экономичности. Благодаря распространению мощных ЭВМ и информационных технологий в настоящее время компьютерное моделирование можно назвать самым результативным методом исследования физических, технических и других систем. Компьютерные модели позволяют выявить основные условия, которые определяют свойства изучаемых явлений и объектов, изучить обратную связь системы на изменяющиеся условия.

Компьютерная модель – это отдельная программа либо программный комплекс, которые позволяют при помощи вычислений и графического отображения результатов воспроизводить реальные объекты и процессы при воздействии на них различных факторов. Такие модели еще называют имитационными.

Компьютерное моделирование – метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе изучения ее компьютерной модели. Смысл такого моделирования состоит в получении количественных и качественных результатов по созданной модели, что позволяет изучить неизвестные ранее свойства системы. Компьютерная модель должна отображать максимальное количество взаимосвязей и характеристик реального объекта, существующие ограничения. Модель следует строить универсальной, чтобы использовать ее для описания подобных объектов; простой, чтобы обойтись разумными тратами на исследование.

Компьютерная модель также является отличным наглядным и обучающим пособием для учащихся. При использовании компьютерной модели в качестве обучающего механизма существуют возможности:

рассмотреть сложные явления и процессы на доступном уровне;
сделать акцент на главных свойствах системы благодаря гибкой форме ее представления и наличию эффектов мультимедиа;
наблюдать за процессом в динамике, учитывая все его изменения;
представлять работу системы в наглядном виде: графики, схемы, диаграммы;
предпринимать действия невозможные в реальности из-за пространственно-временных рамок или опасения за безопасность модели и окружающей среды.

Виды компьютерных моделей.

Для начала определимся, каким может быть компьютерное моделирование.

Физическое моделирование – моделирование, при котором создается целая установка для проведения экспериментов либо отдельный тренажер, например, для тренировки управления самолетом. Такая модель принимает внешние сигналы, осуществляет необходимые математические операции и выдает соответствующие сигналы для управления моделью.
Численное моделирование – решение системы уравнений математическими методами, проведение вычислительного эксперимента на основе входных параметров системы и внешних воздействий на нее. Примером может служить моделирование любых природных и искусственных процессов.
Суть имитационного моделирования в создании программы, которая будет имитировать поведение сложной системы. Такая имитация основана на формальном описании логики существования системы, при котором учитываются взаимодействия всех ее составляющих. Примерами являются исследования биологических, физических и других систем, а также создание игр, обучающих программ.
Информационное моделирование – создание информационной модели, то есть объединенных вместе данных, классифицированных по определенным признакам, определяющих суть исследуемого объекта. Информационной моделью являются таблицы, графики, анимации, диаграммы, карты.
Моделирование знаний, к которому относится создание систем искусственного интеллекта. За основу таких моделей берутся знания какой-либо области, состоящие из данных и правил. Примером служат экспертные системы, логические игры, программы для роботов, создания эффектов виртуальной реальности и прочее.

Исходя из всего вышеперечисленного, компьютерные модели можно разделить на:

дискриптивные модели, описывающие исследуемый объект и факторы, влияющие на изменения в его поведении.
оптимизационные модели помогают определить наиболее подходящий способ взаимодействия со сложной системой, управления ею.
прогностические модели предсказывают состояние объекта в конкретные моменты в будущем.
учебные модели, используемые для наглядного обучения обучающихся, их тестирования.
игровые модели создают несуществующие ситуации, имитирующие реальность, играют в логические игры.

Под компьютерным моделированием изначально подразумевалось только имитационное моделирование, однако, не трудно заметить, что использование компьютера для других целей может значительно помочь для решения поставленных задач. Например, построение современных математических моделей по входным экспериментальным данным невозможно или труднодостижимо без использования компьютера.

Первые задач, решаемые с помощью компьютерного моделирования, были связаны с физикой и представляли собой в основном сложные нелинейные задачи физики с помощью итерационных схем и по сути являлось математическим моделированием. Хорошие результаты в моделировании в области физики распространили использование этого метода исследования и на другие области. Сложность решаемых моделированием задач зависела только от мощности используемых компьютеров, тем самым и ограничивалась несовершенными мощностями

После публикации в 1948 году статьи Дж. Неймана и С. Улама, в которой впервые было описано применение метода Монте-Карло, многие исследователи стали называть компьютерное моделирование методами Монте-Карло. Это не верно, правильней будет выглядеть разделение компьютерного моделирования на несколько направлений[6]:

Методы Монте-Карло или методы вычислительной математики. Используются численные методы, объекты заменяются числами, результаты формируются в таблицы или графики;
Методы имитационного моделирования;
Методы статистической обработки данных на основе метода планирования эксперимента;
Комплексы имитационного моделирования, в которых объединяются все вышеупомянутые методы.

Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент, который предполагает дальнейшее численное исследование модели после ее создания, позволяющее исследовать объект в различных его модификациях и при различных условиях.

С использованием ЭВМ для выполнения арифметических и логических операций производительность интеллектуального труда человека значительно возросла. Первые задачи, для которых создавались ЭВМ, были связаны с ядерной энергией и освоением пространства космоса. Сейчас же компьютер принимает участие в различных задачах и исследованиях, эта технология теоретических экспериментов получила название вычислительного эксперимента. Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой – прикладная математика, а технической – мощные электронные вычислительные машины.

Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент становятся новым методом научного познания для исследования сложных моделей систем. Цикл вычислительного эксперимента принято разделять на несколько этапов для лучшего восприятия сути этого метода.

Существуют две группы задач, решаемых с помощью математического моделирования. Первая это замена реального физического эксперимента математическим (вычислительным) экспериментом и вторая задача контроля и оценки качества проектных решений. Разумеется, не всякий физический эксперимент можно заменить математическим. Это нельзя сделать, когда цель эксперимента состоит в исследовании еще не известных законов природы. Наоборот, если изучаемое явление полностью описывается известными законами природы (движение плазмы в магнитном поле, выведение спутника на орбиту и т.д.), математический эксперимент может заменить физический или резко сократить объем данных, определяющихся с помощью физического эксперимента. Такое применение математического моделирования может дать огромную экономию средств и значительное сокращение сроков исследования.

Математическое моделирование для контроля и оценки проектных решений, создаваемых экспериментальных методик не только существенно улучшает качество проектных решений, но и резко сокращает стоимость создания экспериментальных установок и проведения с их помощью научных исследований.

Экспериментальная установка многократно воспроизводит некоторый процесс (например, рассеяние ускоренных частиц на мишени), а ее регистрирующая аппаратура измеряет некоторые физические характеристики процесса (например, число частиц, рассеявшихся внутри данного телесного угла). Экспериментатор имеет возможность управлять ходом эксперимента, задавая значения некоторых параметров, характеризующих условия эксперимента. В качестве примера можно указать на такие параметры, как энергия частицы до столкновения с мишенью или сферические углы, определяющие расположение счетчиков продуктов изучаемой реакции. Эти параметры называются управляемыми. В результате проведения эксперимента получается набор данных, по которым требуется вычислить значения физических величин, для определения которых ставится эксперимент.

Разумеется, цель эксперимента включает и необходимую степень точности, с которой надлежит определить параметры, и эта точность должна быть обеспечена конструкцией экспериментальной установки и алгоритмом обработки экспериментальных данных. Как уже было отмечено, специфическими требованиями обучающих программ по физике являются необходимость использования сложных по конструкции формул, рисунков, графиков и необходимость моделирования физических процессов с целью имитации реального исполнения лабораторных работ. С точки зрения программной реализации этих требований очень удобна система объектно-ориентированного программирования Borland C++ Builder. Она обеспечивает высокую скорость визуальной разработки, продуктивность повторно используемых компонент в сочетании с мощью языковых средств C++ [2].

Рис.1. Динамическое изображение зависимости траектории движения альфа-частицы от скорости и прицельного параметра.

Рис.2. Имитация экспериментальной проверки опыта Резерфорда

Для иллюстрации с помощью компьютера статистических особенностей рассеяния альфа-частиц (рис.2) решаются следующие задачи имитации опыта Резерфорда:

1. Формирование пучка с равномерным распределением.
2. Отклонение пучка в соответствии с заданным законом.
3. Отображение отклоненного пучка в виде вспышек на экране.
4. Предоставление возможности управления экспериментом (изменение угла наблюдения).

Если компьютер сам является объектом изучения, то его роль сводится к обеспечению демонстрации работы ее основных устройств и узлов. На рис.3 приведен пример моделирования принципов работы модема.

Рис. 3. Принцип работы модема

Кафедрой полупроводниковых приборов и микроэлектроники факультета радиотехники и электроники Новосибирского государственного технического университета проведено исследование и математическое моделирование физических процессов переноса заряда в субмикронных элементах СБИС. Цель работы - исследование распределений электрических полей и процессов переноса в субмикронных элементах СБИС; разработка и уточнение математических моделей транзисторов для оптимизации технологий и использования в САПР ИС.

Во всех направлениях развития элементной базы микроэлектроники решающим обстоятельством, позволяющим увеличить плотность размещения элементов и быстродействие схем, служит переход к размерам уже сравнимым с длиной волны электрона. Современный уровень технологии позволяет реализовать приборы, характеристики которых в значительной мере определяются совместным действием сложного двумерного распределения электрических полей и зарядов и квантовыми размерными эффектами. Поэтому исследования процессов переноса зарядов в реальных условиях субмикронных масштабов является ключевым моментом моделирования будущих перспективных элементов микроэлектроники.

Характерным примером является моделирование физических объектов, процессов и явлений для обучения физике и информатике в системе "Stratum Computer" (Пермский государственный университет) [6].

К настоящему времени в инструментальной среде "Stratum Computer" (ИС "SC") разработаны и тиражируются моделирующие комплексы "Кинематика", "Законы движения. Силы в природе", "Законы сохранения в механике", "Электростатика", "Законы постоянного тока", "Магнетизм", "Молекулярная физика", "Колебания и волны". Разработаны наборы элементарных моделей (имиджей), объединенных в библиотеки по тематическому и функциональному признакам. На базе этих библиотек созданы комплексные модели (схемы), служащие "экспериментальными установками" для модельных (имитационных) работ. На начало 1996г. поставлено около 150 работ.

Тематика работ соответствует традиционному курсу физики. Задачи, составляющие их предмет, по большей части являются авторскими обобщениями и интерпретациями стандартных задач, встречающихся в любых задачниках. Ряд более оригинальных задач заимствованы из задачников (Н.И.Гольдфарба, Ю.В.Гофмана, О.Я.Савченко, А.Г.Чертова, Д.И.Сивухина и других) и обобщен, либо предложен разработчиками. Для каждой работы формулируется цель, даются краткие теоретические сведения, описываются задания, ставятся вопросы. Каждая работа состоит из нескольких упражнений. К ряду работ могут быть дополнительно подобраны задачи (в том, числе из стандартных задачников) с тем, чтобы решать их методом численного моделирования.

"Второе поколение" моделирующих комплексов имеет своим главным отличием от первых двух, а также подавляющего большинства других известных разработок то, что пользователю предоставляется среда с возможностями свободных манипуляций математическими моделями физических объектов, процессов и эффектов. Обучаемые могут обращаться с моделями элементарных объектов как с конструкторским материалом, создавая модели сложных систем, не только выполнять лабораторные работы при помощи готовых схем, но и конструировать новые схемы из готовых имиджей и даже модифицировать имиджи (такие работы требуют полного варианта ИС "SC"). При этом происходит выход за рамки обучения собственно физике. Устанавливая информационные связи между элементами, уясняя принципы их взаимодействия, наблюдая за реакцией системы на внешние влияния, отрабатывая методику управления комплексными системами, пользователь органично сочетает изучение физики с изучением информатики. Притом, что важно, информатика приобретает в глазах обучаемых действительно прикладной характер[4].

На этом качественно новом уровне процесса обучения возможным становится приобретение и развитие у обучаемых навыков манипуляций с готовыми математическими моделями объектов, компиляции сложных систем и устройств, т.е. проведения конструкторских работ, а также модернизации моделей, их обобщения для новых условий, т.е. проведения исследовательских работ. В связи с этим у разработчиков появляются новые задачи:

создание для различных областей физики базовых библиотек моделей (имиджей), на основе которых в дальнейшем проводится как демонстрационная, так и исследовательская и конструкторская деятельность;

создание демонстрационных моделей компилятивных (комплексных) физических систем (схем), при помощи которых пользователь может проверить и углубить свое понимание физических процессов; на основе таких моделей создаются лабораторные работы;

предоставление пользователю инструмента для трансформации демонстрационных схем в полезные для практики моделирующие комплексы, проведения на их основе конструкторских работ;

разработка испытательных стендов для всестороннего исследования, тестирования, доводки и усовершенствования вновь создаваемых систем - механизмов, приборов и других технических устройств, проведения исследовательских работ.

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения систем. Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяют выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Компьютерное моделирование требует абстрагирования от конкретной природы явлений, построения сначала качественной, а затем и количественной моделей. За этим следует проведение серии вычислительных экспериментов на ЭВМ, интерпретация результатов, сопоставление результатов моделирования с поведением исследуемого объекта, последующее уточнение модели и т.д.

К основным этапам компьютерного моделирования относятся: постановка задачи, определение объекта моделирования; разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и элементарных актов взаимодействия; формализация, то есть переход к математической модели; создание алгоритма и написание программы; планирование и проведение компьютерных экспериментов; анализ и интерпретация результатов.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. Аналитическими называются модели реального объекта, использующие алгебраические и другие уравнения, а также предусматривающие осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. Имитационными называются математические модели, воспроизводящие алгоритм функционирования исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Принципы моделирования [3]:

Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации об объекте построить модель невозможно. При наличии полной информации моделирование лишено смысла. Существует уровень информационной достаточности, при достижении которого может быть построена модель системы.

Принцип осуществимости. Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования за конечное время.

Принцип множественности моделей. Любая конкретная модель отражает лишь некоторые стороны реальной системы. Для полного исследования необходимо построить ряд моделей исследуемого процесса, причем каждая последующая модель должна уточнять предыдущую.

Принцип системности. Исследуемая система представима в виде совокупности взаимодействующих друг с другом подсистем, которые моделируются стандартными математическими методами. При этом свойства системы не являются суммой свойств ее элементов.

Принцип параметризации. Некоторые подсистемы моделируемой системы могут быть охарактеризованы единственным параметром: вектором, матрицей, графиком, формулой.

Моделирование систем требует решения дифференциальных уравнений. Применяемый метод сеток состоит в том, что области непрерывного изменения аргументов функции заменяют конечным множеством узлов, образующих одномерную или многомерную сетку, и работают с функцией дискретного аргумента, что позволяет приближенно вычислить производные и интегралы. В методе Эйлера бесконечно малые приращения функции f(x,y,z,t) и приращения ее аргументов заменяются малыми, но конечными разностями.

2. Задачи, цели и методы проекта - "компьютерное моделирование в физике".

3. Тематическое планирование факультатива - "компьютерное моделирование в физике".

4. Примеры задач решаемых учащимися.

5. Первые результаты полученные при проведении курса "компьютерное моделирование в физике".

1. Роль компьютерного моделирования в физике.

Болонская конвенция, подписанная в 2003 году министром образования Российской Федерации, существенно меняет положение физики , как предмета, изучаемого в средней школе и на нефизических факультетах вузов. Следуя положениям Сорбонской декларации, российское государство в срок до 2010 года берет на себя обязательства трансформировать физику из важнейшего общекультурного и образовательного компонента личности в один из предметов, выбираемых студентом в соответствии с личной образовательной траекторией.

Выбранный курс реформирования образования вызывает справедливую и обоснованную обеспокоенность в среде педагогической общественности. В то же время, нельзя не признать, что он согласуется с проводимыми в стране административной, финансовой, законодательной и другими реформами: необходимые объем и глубину знаний по физике должны определять потребности рынка, а не планы создания абстрактного человека будущего .

Вместе с тем, необходимо отметить, что никакие реформы физического образования не способны изменить объективный статус физики как фундаментальной основы всех областей современного научного знания. Самые первые попытки философов древности объяснить устройство мира были не чем иным, как занятиями физикой, а современная цивилизация, существующая в едином глобальном информационном пространстве, приобрела свои характерные черты также благодаря развитию физической науки. История физики - это история человечества, познающего Вселенную и создающего неприродную реальность, изучение физики развивает интеллект и формирует мировоззрение.

Помимо требований модернизации обучения, обусловленных современными тенденциями развития образования, традиционно актуальной является необходимость обеспечения содержательной и методологической преемственности в изучении физических явлений, процессов и закономерностей при их рассмотрении в курсах общей физики. Формализованное изложение учебного материала и алгоритмизация учебной исследовательской деятельности студентов, свойственные как для курса общей физики, так и для дисциплин, развивающих его положения, ведут к тому, что понимание физической сущности предмета уступает место усвоению готовых знаний и приобретению ограниченного числа навыков . В то же время, современные тенденции развития физического образования нацелены на формирование у учащихся умений нестандартно мыслить, использовать интеллектуальные и коммуникативные способности для успешной организации профессиональной и социальной деятельности в непрерывно меняющихся многофакторных ситуациях.

Компьютерное моделирование, являющееся составной частью и инструментом компьютерного обучения, содержит в себе потенциальные возможности повышения эффективности изучения физических основ в курсах общей физики. К этим возможностям относятся:

- повышение наглядности , вариативности, интерактивности и информационной емкости предоставляемого учебного материала, компенсация, посредством этого, сокращения количества часов аудиторных занятий;

- проведение экспериментальной деятельности, затрудненной, невозможной или небезопасной в условиях учебной лаборатории, обеспечение множественности и вариативности экспериментов;

- модернизация натурного лабораторного исследования посредством применения компьютерных моделей для наглядного представления;

- повышение эффективности самостоятельной работы студентов через предоставление возможности выбора и реализации индивидуального маршрута самостоятельного обучения, соответствующего уровню знаний, темпераменту и особенностям мышления учащихся;

- развитие у учащихся навыков самостоятельной работы с важнейшей формой представления информации - моделью, выработка навыков применения математической модели при планировании, постановке и интерпретации результатов учебного натурного эксперимента, умение производить оценку области применения модели;

- создание условий для реализации личностно-ориентированного подхода к обучению;

- рационализация труда учащегося и педагога через передачу рутинных функций расчета и проверки и сосредоточение внимания на творческом аспекте учебного исследования.

2. Задачи, цели и методы проекта - "компьютерное моделирование в физике".

Компьютерная модель физических задач на объектно-ориентированном языке программирования.

Мирошник Антоний, ученик 11 класса

муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя общеобразовательная школа № 2» пг.т. Уренгой Пуровского района

Замятина Ольга Валерьевна, учитель информатики

муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя общеобразовательная школа № 2 п.г.т. Уренгой Пуровского района

Шмидт Наталья Александровна, учитель физики

муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения

«Средняя общеобразовательная школа № 2» п.г.т. Уренгой Пуровского района

Компьютерное моделирование
Языки программирования

Процедурные языки программирования.

Визуальные объектно-ориентированные языки программирования.

Первое начало термодинамики применительно к изопроцессам.
Практическая часть. Разработка компьютерной модели для решения физических задач

Компьютерная модель физических задач на объектно-ориентированном языке программирования.

Исполнитель: Мирошник Антоний, 11 класс, 17 лет, МБОУ «СОШ №2» п.г.т. Уренгой Пуровского района.

Руководители: Замятина Ольга Валерьевна, учитель информатики, МБОУ «СОШ №2» п.г.т. Уренгой Пуровского района.

Шмидт Наталья Александровна , учитель физики, МБОУ «СОШ №2» п.г.т. Уренгой Пуровского района.

В изучении физики значительное место занимают решение задач и физический эксперимент всех видов. Приведём известное высказывание Э. Ферми: «Человек знает физику, если он умеет решать задачи». Компьютерные технологии и здесь оказывают революционизирующее воздействие.

Развитие любой науки невозможно без создания теоретических и практических моделей.

Компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент становится новым инструментом, методом научного познания, новой технологии из-за возрастающей необходимости перехода к исследованию сложных систем.

Познакомившись с моделями решения физических задач на уроках информатики, нами было обнаружено недостаточное количество физических моделей для решения задач по первому закону термодинамики.

Цель: создание компьютерной модели для решения задач по первому закону термодинамики.

Сравнить технологии решения задач с использованием процедурного и объектно-ориентированного подходов.
Изучить теорию по теме «Первый закон термодинамики применительно к изоппоцессам».
Разработать алгоритм решения физической задачи. Визуализировать алгоритм в виде блок-схемы с использованием редактора блок-схем.
Создание компьютерной модели в системе объектно-ориентированного программирования.
Проверка компьютерной модели для решения физических задач.

Объект исследования – языки программирования как технология для создания компьютерных информационных моделей.

Предмет исследования : информационная компьютерная модель для решения физических задач.

- система программирования Pascal АВС;

- система программирования Microsoft Visual Basic.

Компьютерное моделировании - метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.

Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные раннее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость целостность и т.д. компьютерное моделирование для рождения новой информации использует любую информацию, которую можно актуализировать с помощью ПК.

Компьютерная модель сложной системы должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные ситуации, критерии и ограничения. Модель должна быть универсальной, что бы по возможности описывать близкие по назначению объекты, и в тоже время достаточно простой. Что бы позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами.

Результативность компьютерной модели определяется качеством использованного программного обеспечения. Основные требования, предъявляемые к программам – это, конечно простота ввода и корректировки исходных данных, а также визуализация программирования (специальные программы, в которых реализуются удобные графические пользовательские возможности).

ПРОЦЕДУРНЫЕ ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.

С развитием языков программирования развивались и технологии, используемые при написании программного кода. Первые программы писались сплошным текстом. Это была простая последовательность команд, записанная в столбец. Все это выглядело приблизительно так:

Листинг 1. Текст линейной программы.

Используя такой подход к программированию, возможность сделать что-либо была мала. Единственное, что было доступно программисту для создания логики в данном случае — это условные переходы. Под условным переходом понимается переход на какую-то команду при определенных условиях, которые сложились в процессе обработки данных на процессоре. Например:

Листинг 2. Пример условного перехода.

Если выполнено условие, то перейти на команду 1, иначе на команду 2

Это единственная логика, с помощью которой можно было выполнять определенные действия, зависящие от конкретных ситуаций, которые могут сложиться в процессе вычислений. Но программы оставались плоскими и неудобными, потому, что написать таким образом логику современных программ невозможно.

Взгляните на программу MS Word. В ней трудно представить себе линейность, потому что здесь как бы присутствует диалог с программой. Вы говорите, что вам надо, а она выполняет ваши действия. При линейном программировании можно создать только такую логику, при которой компьютер запрашивает определенные параметры (данные), и вы вводите их, а отступить от линейности, заложенной в такую логику, невозможно.

Следующим шагом стал процедурный подход. При этом подходе какой-то код программы мог объединяться в отдельные блоки (процедуры). После этого такой блок команд можно вызывать из любой части программы. Например:

Листинг 3. Процедурное программирование.

Начало процедуры 1

Команда 1 процедуры 1

Команда n процедуры 1

Конец процедуры 1

Если выполнено условие, то выполнить код процедуры 1.

В результате появилась возможность использовать один и тот же код в одной программе неоднократно. Код программ стал более удобным и простым для понимания. Именно таким был отец Delphi — язык программирования Turbo/Borland Pascal, который со временем превратился в Object Pascal.

В процедуры можно передавать различные значения, заставляя их что-то рассчитывать. В процедуру можно поместить код каких-нибудь расчётов и определить параметры в виде переменных, которые используются в этом коде, а затем только передавать ей разные значения в качестве этих параметров. Процедуры остались и в наше время. Использование процедуры часто называют "Вызов процедуры". Это действительно так, т. е. процедура как бы вызывается.

ВИЗУАЛЬНЫЕ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.

В середине 80-х годов началась эпоха персональных компьютеров. Их выпускали миллионами, для них требовались десятки тысяч программ, и вдруг выяснилось, что один месяц работы квалифицированного программиста стоит не меньше, чем его компьютер. Тогда люди задумались, как сберечь время программиста, и языки программирования начали вновь изменяться.

Прежде всего, был введён принцип повторного использования кода. По этому принципу то, что было создано кем-то один раз, должно не пропадать, а накапливаться и как готовый блок переходить в труды других программистов. Такие блоки назвали объектами. При необходимости разработать новую программу берутся объекты от предыдущей программы и только перенастраиваются (подгоняются) под новые требования.

Неверное и вам случилось видеть в разных программах одинаковые по форме окна, похожие меню, одинаковые кнопки. Большинство программ работают с одними и теми же шрифтами. Всё это настраиваемые объекты. Первым языком объектно-ориентированного программирования стал язык СИ++(C++). Затем и у языка Паскаль появилась объектно-ориентированная версия – Object Pascal. Сегодня в мире много и других объектно-ориентированных языков программирования.

В 90-х годах в мире персональных компьютеров опять произошли важные изменения. Компьютеры приобрели графическое управление. Раньше ими в основном управляли с помощью клавиатуры: на ней набирали команды, с клавиатуры в компьютер вводили тексты программ. Разумеется, компьютеры и тогда могли воспроизводить на экране графические изображения, но это было именно умение, а не способ управления. Телевизор, например, прекрасно воспроизводит изображения, но способ управления им был и остаётся кнопочным.

В середине 90-х годов системы управления большинства компьютеров стали графическими. То, что мы видим на экране, это не просто картинки – многие из них служат графическими элементами управления – на них можно навести указатель мыши, щёлкнуть на её кнопке и компьютер ответит на этот управляющий сигнал.

С появлением графических систем управления компьютерами изменился и метод разработки программ. Он тоже стал графическим или, говоря по научному – визуальным. С помощью мыши можно выбирать готовые строительные блоки для будущих программ, а потом точно так же с помощью мыши настраивать их по своему вкусу. И лишь когда нам чего-то будет не хватать, придётся ввести команды с клавиатуры.

- А кто нам даёт те компоненты, из которых мы сможем что-то выбирать?

- Их предоставляют те самые системы визуального программирования.

В них входят обширные библиотеки компонентов – только выбирай. Ну, а если для каких-то целей мы и не найдём нужного компонента, есть ещё возможность установить дополнительные библиотеки. Нередко программисты, разрабатывающие новые компоненты, выставляют их в Интернете, где каждый желающий может их получить и использовать.

Таким образом, объектно-ориентированное программирование возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование).

Наиболее универсальными процедурными языками программирования признаны:

За долгое время развития эти три языка стали не просто языками программирования, а целыми системами программирования. С их помощью можно не писать программы, а собирать их из готовых компонентов точно так же, как из компонентов детского конструктора собирают специальные игрушки.

Язык Basic превратился в систему программирования Visual Basic.

Язык Паскаль реализовался в систему Delphi.

Язык СИ++ реализован в нескольких системах. Две из них - Borland C++ Builder и Microsoft Visual C++.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИЗОПРОЦЕССАМ

В давние времена люди пользовались в качестве орудий труда простыми машинами: рычагами, наклонной плоскостью и т.д. В течение тысячелетий работа с помощью этих машин совершалась за счет механической энергии ветра, падающей воды; чаще всего применялась энергия людей или животных.

Около 200 лет тому назад началось широкое применение в технике другого вида энергии - внутренней энергии. Сейчас около 80% используемой человечеством энергии – это внутренняя энергия топлива.

Раздел физики, изучающий, как внутренняя энергия используется для получения механической работы, называется термодинамикой. Термодинамика – это наука о тепловых явлениях, основанная на некоторых общих законах, относящихся к превращению энергии. Эти законы справедливы для всех тел независимо от их внутреннего строения.

Обычно при изменении объема газа работа совершается и за счет передачи ему какого-то количества теплоты от источника энергии, и за счет изменения внутренней энергии самого газа, которая при этом уменьшается. Закон сохранения энергии в этом случае можно записать в виде уравнения A = Q - ∆U или Q = A + ∆U.

Закону сохранения энергии присвоено особое название – первое начало термодинамики. Этот закон формулируется следующим образом: количество теплоты, переданное телу, равно сумме изменения его внутренней энергии и совершенной им работы. Применяя первый закон термодинамики к различным процессам, мы можем получить важные выводы о связи внутренней энергии, количества теплоты и работы в каждом из этих процессов.

В изобарном процессе давление остается величиной постоянной, тогда работа может выражаться формулой A=p(V 2 -V 1 ). Поэтому первый закон термодинамики в этом случае может быть записан в виде Q= p(V2-V1) +∆U или Q= A+∆U.

В изотермическом процессе температура газа все время остается постоянной (равной температуре нагревателя), значит, и внутренняя энергия газа остается неизменной. T=const ∆U=0 A=Q .

В изохорном процессе газ нагревают в закрытом сосуде. Объем газа остаётся величиной постоянной, следовательно, работа в этом процессе не совершается. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: Q=∆U , так как ∆V=0 A=0.

В адиабатном процессе нет теплообмена газа с окружающей средой. Первый закон термодинамики будет иметь вид ∆U= - A, т.к. Q=0

В процессе исследования моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы, чертежи, электрические схемы и т.д. В настоящее время широкое распространение получили компьютерные визуальные модели.

На визуальном объектно-ориентированном языке программирования можно спроектировать удобный графический интерфейс для решения физических задач.

Для решения задач на первый закон термодинамики можно использовать систему программирования Visual Basic.

Читайте также: