Модерният компютър има много области на употреба. Сред тях, както знаете, способността на компютъра като средство за автоматизиране на информационните процеси е от особено значение. Но не по-малко значими и неговите способности като инструментекспериментална работа и анализ на резултатите.

Изчисващ експериментотдавна е известно в науката. Не забравяйте отварянето на планетата Нептун "на върха на писалката". Често резултатите от научните изследвания се считат за надеждни само ако могат да бъдат представени под формата на математически модели и се потвърждават от математически изчисления. Освен това той се прилага не само за физиката.

или технически проект, но и социология, лингвистика, маркетинг - традиционно хуманитарни дисциплини, далеч от математиката.

Изчисленият експеримент е теоретичен метод на познание. Развитието на този метод е числен симулация- сравнително нов научен метод, който е широко разпространен поради появата на компютър.

Числовата симулация се използва широко на практика и при провеждането на научни изследвания.

Пример.Без изграждане на математически модели и извършване на различни изчисления при непрекъснато променящи се данни, идващи от измервателни уреди, функционирането на автоматични производствени линии, автопилот, проследяващи станции, автоматични диагностични системи е невъзможно. Освен това, изчисленията трябва да се извършват в реално време, за да се гарантира надеждността на системите и техните грешки могат да бъдат милиони долари процент.

Пример.Модерният астроном може да се види по-често от телескоп окуляра, но преди дисплея на компютъра. И не само теоретицата, но и наблюдателя. Астрономията е необичайна наука. Като правило то не може пряко да експериментира с изследователски обекти. Различни видове радиация (електромагнитни, гравитационни, неутрино или космически лъчи) астрономи само "шпионин" и чудат. Това означава, че трябва да се научите да извличате максималната информация от наблюденията и да ги възпроизведете в изчисленията за тестване на хипотези, описващи тези наблюдения. Приложенията на компютри в астрономията, както и в други науки, са изключително разнообразни. Това е автоматизацията на наблюденията и обработката на техните резултати (астрономите виждат изображения, които не са в окуляра, но на монитора, свързан със специални устройства). Компютрите са необходими и за работа с големи каталози (звезди, спектни анализи, химични съединения и др.).

Пример.Всеки знае израза "буря в чаша вода". Подробно в детайли такъв комплексен хидродинамичен процес, като буря, е необходимо да се привличат сложни методи за цифрово моделиране. Ето защо, в големи хидрометеоцентрични има мощни компютри: "Бурята се играе" в компютърния процесор Crystal.

Дори и да похарчите не много сложни изчисления, но трябва да ги повторите милион пъти, тогава е по-добре да напишете програма веднъж, а компютърът ще го повтори толкова пъти, колкото е необходимо (ограничение, естествено, ще има компютърна скорост ).

Числена симулация може да бъде независим изследвателен метод, когато интересът е само стойностите на някои показатели (например, цената на продуктите или интегралния спектър на галактиката), но по-често изпълнява един от средствата за изграждане на компютърни модели в по-широк смисъл на този термин.

Исторически, първата работа по компютърно моделиране е свързана с физиката, където, с помощта на числено моделиране, цял клас хидравлични проблеми, филтрация, пренос на топлина и топлообмен, твърд механик и т.нар. Моделиране, се решава основно комплекс Нелинейно целите на математическата физика и по същество е, разбира се, симулацията на математика. Успехите на математическото моделиране във физиката допринесоха за разпространението му върху задачите на химията, електроенергийната индустрия, биологията и симулационните схеми не бяха твърде различни един от друг. Сложността на задачите, решени въз основа на моделирането, е ограничена само от силата на наличните компютри. Този тип моделиране е широко разпространен и актуален. Освен това, по време на разработването на числено моделиране, всички библиотеки на подпрограми и функции, които улесняват възможностите за използване и разширяване на възможностите за моделиране. И все пак понастоящем концепцията за "компютърна симулация" обикновено не се свързва с фундаментални природни научни дисциплини, но преди всичко със системен анализ на сложни системи от позицията на кибернетиката (това е, от позициите на управление, самостоятелно Правителство, самоорганизация). И сега компютърната симулация е широко използвана в биологията, макроикономиката, при създаването на автоматизирани системи за управление и др.

Пример.Запомнете експеримента на PIG, описан в предишния параграф. Това, разбира се, може да се извърши не с реални обекти, но с анимационен филм на екрана на дисплея. Но в края на краищата, движението на играчките може да бъде заснет на обичайния филм и да го демонстрира по телевизията. Подходящо ли е да се обадите на използването на компютър в този случай чрез компютърно моделиране?

Пример. Моделът на полет на тялото, изоставен вертикално нагоре или под ъгъл към хоризонта, е например график на височина на тялото в зависимост от времето. Можете да го изградите

а) върху листа хартия в точки;

б) в графичен редактор в същите точки;

в) използване на бизнес графичната програма, например, в
електронни таблици;

г) Писане на програма, която не само показва
траекторията на полет на рани, но също така ви позволява да попитате
Първоначални данни (ъгъл на наклона, начална скорост
).

Защо е опция б) не искам да наричам компютърен модел и опции в) и г) напълно спазват това име?

Под компютърен моделчесто разбират програмата (или програмата плюс специално устройство), което осигурява имитация на характеристиките и поведението на конкретен обект. Резултатът от тази програма също се нарича компютърен модел.

В специална литература терминът "компютърният модел" е по-стриктно определен, както следва:

Условното изображение на обект или някаква система от обекти (процеси, явления), описани като се използват взаимосвързани компютърни таблици, схеми, графики, графики, рисунки, анимирани фрагменти, хипертекс и т.н. и отразяване на структурата (елементи и взаимовръзки между тях) обект. Наричат \u200b\u200bсе компютърни модели на този вид структурни и функционални;

Отделна програма или набор от програми, които позволяват последователността на изчисленията и графичното показване на техните резултати за възпроизвеждане (имитиране) функциониращи процеси, при условие че е засегнато от различни, обикновено случайни фактори. Такива модели се наричат симулация.

Компютърните модели могат да бъдат прости и сложни. Простите модели се създават многократно, когато програмирането е проучено или изградена база данни. В триизмерни графични системи, експертни системи, автоматизирани системи за управление са изградени и използвани много сложни компютърни модели.

Пример.Идеята за изграждане на модел на човешка дейност с компютър не е нова и е трудно да се намери такава област на дейност, в която няма да се опита да приложи. Експертните системи са компютърни програми, които симулират действията на експерта на дадено лице в решаването на проблеми във всяка област, основана на натрупаните знания, представляващи базата от знания. Твърди задачата за моделиране на умствената дейност. Поради сложността на моделите, развитието на ES заема като правило в продължение на няколко години.

Съвременните експертни системи, с изключение на базата на знанието, също имат основа от прецеденти - например резултатите от проучването на реалните хора и информация за последващия успех / неуспех на техните дейности. Например, основата на прецедентите на експертната система на полицията в Ню Йорк - 786 000 човек, център "хоби" (политика на персонала в предприятието) - 512 000 хората и според думите на специалистите на този център, разработени от тях, са спечелени с очакваната точност, само когато базата премина 200 000 човек, който взе своето творение в продължение на 6 години.

Пример.Напредъкът в създаването на компютърни графични изображения е напреднал от изображения на триизмерни модели с просто полутоново изображение към модерни реалистични снимки, които са проби от изкуство. Това е резултат от успеха в по-точна дефиниция на околната среда на моделиране. Прозрачността, отражението, сенките, моделите на осветлението и свойствата на повърхността са няколко области, в които изследователите интензивно работят, непрекъснато предлагат нови алгоритми за създаване на все по-реалистични изкуствени образи. Днес тези методи се използват за създаване на висококачествена анимация.

Практически нужди вкомпютърно моделиране поставя задачи по хардуерни разработчици инструментикомпютър. Това означава, че методът активно засяга не само външния вид на всички нови и. \\ T нови програмино ина развитиетехнически средства.

Пример.За първи път за холографията на компютъра се говори през 80-те години. По този начин, в автоматизирани дизайнерски системи, в географски информационни системи би било хубаво да може не просто да виждат обекта на интерес в триизмерна форма, но да го представите под формата на човек, който може да се обърне, наклон, погледнете вътре. За да създадете холографска картина, полезна в реални приложения, необходима

холографски

снимки

показва се с гигантски пиксели - до един милиард. Сега такава работа се извършва активно. Едновременно с развитието на холографския дисплей, работата е в ход, за да се създаде триизмерна работна станция въз основа на принципа, наречен "заместване на реалността". Този термин е идеята за широко разпространение на всички тези естествени и интуитивни методи, които човек използва, когато взаимодейства с естествено-енергийно енергия) модели, но е фокусиран върху тяхното цялостно подобрение и развитие с помощта на уникални характеристики на цифровите системи. Например, се предполага, че ще бъде възможно да се манипулират и взаимодействат с компютърни холограми в реално време, използвайки жестове и докосва.

Компютърната симулация има следното предимства:

Осигурява яснота;

Налични в употреба.

Основното предимство на компютърното моделиране е, че тя позволява не само да се наблюдава, но и да се предвиди резултатът от експеримента при някои специални условия. Благодарение на тази възможност този метод е намерил приложение в областта на биологията, химията, социологията, екологията, физиката, икономиката и много други области на знанието.

Компютърната симулация се използва широко в ученето. С помощта на специални програми можете да видите модели на такива явления като явленията на Microvorld и света с астрономически размери, явленията на ядрената и квантовата физика, развитието на растенията и превръщането на вещества в химични реакции.

Изготвяне на специалисти от много професии, особено като въздушен трафик, пилоти, диспечери на атомни и електроцентрали, се извършват чрез използване на симулатори, управлявани от компютърно моделиране на реални ситуации, включително извънредна ситуация.

На компютъра можете да похарчите лабораторни упражнения, ако няма необходимите реални устройства и устройства или ако решението на проблема изисква използването на сложни математически методи и трудоемки изчисления.

Компютърната симулация дава възможност за "съживяване" на изследваните физически, химически, биологични, социални закони, поставете редица експерименти с модел. Но не забравяйте, че всички тези експерименти са много условни в природата и когнитивната стойност на тях също е много условна.

Пример. Преди практическото използване на реакцията на ядреното гниене, ядрените физици просто не знаят за опасностите от радиацията, но първото масово използване на "постиженията" (Hiroshima и Nagasaki) ясно показаха как радиация

с опасно за човек. Начална физика с ядрената електрическа

станциите, човечеството за дълго време няма да знаят за опасностите от радиацията. Постигане на химици в началото на миналия век - мощният DDT на пестициди - за дълго време се счита за абсолютно безопасно за

При прилагането на мощни модерни технологии, широко възпроизвеждане и безсмислено използване на погрешни софтуерни продукти, такива тесни специалисти, изглежда, въпроси, като адекватност на компютърния модел на реалност, може да придобие тежка универсална важност.

Компютърни експерименти- това е инструмент за изследване на модели, а не естествени или социални явления.

Ето защо, едновременно с компютърния експеримент винаги трябва да отидете на изследователя, сравняването на техните резултати може да оцени качеството на съответния модел, дълбочината на нашите идеи за същността на явленията

раждане. Не забравяйте, че физиката, биологията, астрономия, компютърната наука е истинска световна наука, а не за виртуална реалност.

В научните изследвания, както фундаментални, така и на практически насочени (прилагани), компютърът често действа като необходим инструмент за експериментална работа.

Компютърният експеримент е най-често свързан:

Със сложни математически изчисления (номер
симулация);

С изграждането и изучаването на визуално и / или DIN
MIC модели (Компютърно моделиране).

Под компютърен моделтя се разбира от програмата (или програма във връзка със специално устройство), което осигурява имитация на характеристиките и поведението на конкретен обект, както и резултата от изпълнението на тази програма под формата на графични изображения (неподвижни изображения (неподвижни изображения (неподвижни) или динамични), цифрови стойности, маси и др.

Има структурни и функционални и симулационни компютърни модели.

Структурни и функционалникомпютърният модел е условен образ на обект или система от обекти (процеси, явления), описани с използване на взаимосвързани компютърни таблици, схеми, диаграми, графики, рисунки, анимирани фрагменти, хипертекс и т.н. и отразяваща структурата на обекта или поведението му.

Симулационният компютърен модел е отделна програма или софтуерен комплекс, който ви позволява да възпроизвеждате (имитирате) процесите на функциониране на обекта с помощта на последователност от изчисления и графично показване на техните резултати, при условие че е засегната от различни случайни фактори.

Компютърното моделиране е метод за решаване на проблема с анализ или синтез на системата (най-често сложна система) въз основа на използването на компютъра си.

Предимства на компютърната симулацияименно това е:

Позволява не само да се наблюдават, но и да се предскаже резултатът от експеримента при някои специални условия;

Позволява ви да симулирате и изследвате явленията, предсказани от всяка теории;

Той е екологично чист и не представлява опасност за природата и човека;

Осигурява яснота;

Налични в употреба.

Методът на компютърната симулация е намерил приложение в областта на биологията, химията, социологията, екологията, физиката, икономиката, лингвистиката, юриспруденцията и много други области на знанието.

Компютърната симулация се използва широко в обучение, обучение и преквалификация на специалисти:

За визуално представяне на модели на явленията на микроузъра и света с астрономически размери;

Да имитират процесите, които се случват в света на живота и неодушенията

Да симулира реални ситуации на управление на сложни системи, включително извънредни ситуации;

За лабораторна работа, когато няма необходимите устройства и устройства;

За решаване на проблеми, ако се изисква използването на сложни математически методи и трудоемки изчисления.

Важно е да се помни, че няма обективна реалност на компютъра, но нашите теоретични идеи за това. Компютърно моделиране обект са математически и други научни модели, а не реални обекти, процеси, явления.

Компютърни експерименти- това е инструмент за изследване на модели, а не естествени или социални явления.

Критерият за лоялност към някоя от резултатите от компютърната симулация също е напрежение (физически, химически, социален) експеримент. В научни и практически проучвания компютърен експеримент може да придружава само на изследователя,

техните резултати могат да оценят качеството на модела, дълбочината на нашите идеи за същността на феномените на природата.

Важно е да помните, че физиката, биологията, астрономията, икономиката, информатиката са науката за реалния свят, а не
Виртуална реалност.

Упражнение 1.

Писмо, написано в текстов редактор и електронна поща, изпратени по електронна поща, едва ли някой нарича компютър модел.

Редакторите на текста често ви позволяват да създавате не само редовни документи (писма, стилове, доклади), но и шаблони на документи, в които има постоянна информация, която потребителят не може да се промени, има полета от данни, които са попълнени от потребителя, и там са полета, в които те автоматично произвеждат изчисления въз основа на въведените данни. Възможно ли е да се разгледа такъв шаблон като компютърен модел? Ако е така, какъв е обект на моделиране в този случай и каква е целта на създаването на подобен модел?

Задача 2.

Знаете, че преди да създадете база данни, първо трябва да изградите модел за данни. Знаете, че алгоритъмът е модел на дейност.

И моделите на данни и алгоритмите най-често са разработени въз основа на компютърното изпълнение. Възможно ли е да се каже, че в някакъв момент те се превръщат в компютърен модел и ако е така, когато това се случи?

Забележка.Проверете отговора си на определението за концепцията за "компютърен модел".

Задача 3.

Опишете етапите на изграждане на компютърен модел за примера за разработване на програма, която имитира физическия феномен.

Задача 4.

Дайте примери, когато компютърната симулация донесе реални ползи и когато доведе до нежелани последици. Подгответе доклад по тази тема.

Компютърният експеримент със системния модел по време на проучването и дизайна се извършва, за да се получи информация за характеристиките на функционирането на разглеждания обект. Основната задача на планирането на компютърните експерименти е да се получи необходимата информация за изследваната система по време на ограниченията за ресурси (разходи за машинно време, памет и т.н.). Компетентните задачи са решени при планирането на компютърните експерименти включват задачите за намаляване на разходите за моделиране за моделиране, повишаване на точността и надеждността на резултатите от моделирането, адекватността на теста и др.

Ефективността на компютърните експерименти с модели значително зависи от избора на експериментален план, тъй като е планът, който определя обема и процедурата за провеждане на компютърни компютри, получаване на натрупване и статистическа обработка на резултатите от моделирането на системи . Ето защо основната задача за планиране на компютърните експерименти с модела е формулирана, както следва: Необходимо е да се получи информация за обекта за моделиране, посочен под формата на алгоритъм (програма), с минимални или ограничени разходи за машинни ресурси за изпълнение на моделирането процес.

Предимството на компютърните експерименти преди дома е възможността за пълно възпроизвеждане на експерименталните условия със системата в системата. . Основното предимство пред полето е простотата на прекъсване и възобновяване на компютърните експерименти, което позволява използването на последователни и евристични техники за планиране, които могат да бъдат нереализирани в експерименти с реални обекти. Когато работите с компютърен модел, експериментът винаги е възможно за времето, необходимо за анализ на резултатите и вземане на решения относно по-нататъшния му напредък (например необходимостта от промяна на стойностите на характеристиките на модела).

Недостатъкът на компютърните експерименти е, че резултатите от някои наблюдения зависят от резултатите от един или повече от предишните, и поради това те съдържат по-малко информация, отколкото в независими наблюдения.

Що се отнася до базата данни, компютърният експеримент означава манипулиране на данни в съответствие с целта, използвайки инструментите на DBMS. Целта на експеримента може да бъде оформена въз основа на общата цел на моделиране и като се вземат предвид изискванията на даден потребител. Например, има база данни "денат". Общата цел за създаване на този модел е да управлява учебния процес. Ако трябва да получите информация за изпълнението на учениците, можете да поискате, т.е. Прилагане на експеримент за вземане на проби от желаната информация.

The DBMS Environment Toolbox позволява на следните операции с данни:

1) сортиране - рационализиране на данни според всеки знак;

2) Търсене (филтриране) - избор на данни, отговарящи на определено състояние;

3) Създаване на изчислените полета - трансформация на данните в друг изглед въз основа на формули.

Управлението на информационния модел е неразривно свързано с разработването на различни критерии за търсене и сортиране на данни. За разлика от хартиените файлове, където сортирането е възможно в един или два критерия, а търсенето обикновено се извършва ръчно - бази данни, компютърните бази данни ви позволяват да зададете всякакви форми за сортиране над различни области и различни критерии за търсене. Компютър без времеви разходи по даден критерий или да избере необходимата информация.

За да работите успешно с информационния модел, софтуерните среди на базата данни ви позволяват да създавате изчислените полета, в които първоначалната информация се превръща в друг вид. Например, според семестъра, с помощта на специална вградена функция, можете да изчислите средния резултат за производителността на учениците. Такива изчисления се използват като допълнителна информация, или като критерий за търсене и сортиране.

Компютърен експеримент включва два етапа: тестване (проверка на изпълнението на операциите) и провеждане на експеримент с реални данни.

След изготвянето на формулите за изчислените полета и филтри, трябва да сте сигурни, че те са правилни. За да направите това, можете да влезете в тестовите записи, за които резултатът от операцията е известен предварително.

Компютърният експеримент е завършен чрез издаване на резултати в удобен анализ и вземане на решения. Едно от предимствата на компютърните информационни модели е способността да се създадат различни форми на представяне на изходната информация, наречена доклада. Всеки доклад съдържа информация, която отговаря на целите на конкретен експеримент. Удобството на компютърните отчети е, че те им позволяват да групират информация за определени характеристики, да въведат обобщените области на броене на записи в групите и като цяло в цялата база данни и допълнително да използват тази информация, за да вземат решение.

Околната среда ви позволява да създавате и съхранявате няколко типични, често използвани формуляри за отчети. Според резултатите от някои експерименти можете да създадете временен доклад, който се изтрива след копиране на текстов документ или разпечатване. Някои експерименти изобщо не изискват отчитането. Например, е необходимо да изберете най-успешния ученик, за да възложите високи стипендии. За да направите това, е достатъчно да се сортира средният резултат от семестъра. Необходимата информация ще съдържа първото вписване в списъка на учениците.

Да се \u200b\u200bдаде живот на нови разработки за проектиране, въвеждане на нови технически решения за производство или проверка на нови идеи, имате нужда от експеримент. В близкото минало, такъв експеримент може да се извърши или в лабораторните условия на инсталациите, специално създадени за него, или в природата, т.е. на настоящата извадка от продукта, като го излага на всякакви тестове. За проучването, например, оперативните свойства на всяка единица или възел са поставени в термостата, те са били замразени в специални камери, те се разклащат на вибриращи залози и така нататък. Е, ако е нов часовник или прахосмукачка ~ е малък със загуба при унищожаване. И ако равнината или ракетата?

Лабораторните и полевите експерименти изискват големи материални разходи и време, но тяхното значение все пак е много голямо.

Вече е казано, че на първия етап елементарните обекти се откриват при анализиране на обекта на източника, който в процеса на симулация трябва да бъде подложен на различни експерименти. Ако се върнете например с самолет, тогава за експерименти с възли и системи, както се казва, всички средства са добри. Аеродинамични тръбни и полеви модели на крила и фюзелаж, прилагани за тестване на жилищния рационализирането, и са възможни различни модели за имитация на тестването на безпроблемно енергийно снабдяване и пожарна безопасност, за да се работи с системата за освобождаване на шасито, не е възможно да се направи без специална стойка.

С развитието на компютърната технология се появи нов уникален изследователски метод - компютърен експеримент. За да помогнат, а понякога и при замяна на експериментални проби и тест е в много случаи, идват компютърни изследвания на моделите. Изчисленият експериментален експеримент включва два етапа: изготвяне на симулационния план и технологията за моделиране.

Симулационен план Трябва ясно да отразяват последователността на работата с модела.

Често планът се показва като поредица от номерирани елементи с описание на действията, които трябва да бъдат извършени от изследователя с компютърен модел. Тук не трябва да посочвате какво да използвате софтуерния инструмент. Подробният план е вид отражение на стратегията за компютърна експеримент.

Първата точка на такъв план винаги е развитието на теста и след това тестване на модела.

Тестването е процес на проверка на правилния модел.

Тест - набор от източници данни, за които резултатът е известен предварително.

За да бъде уверен в коректността на резултатите от моделирането, е необходимо предварително да се проведе компютърен експеримент върху модела за тестото съставено. В същото време трябва да запомните следното:

Първо, тестът трябва винаги да се фокусира върху проверката на разработения алгоритъм за функционирането на компютъра. Тестът не отразява неговото семантично съдържание. Въпреки това, резултатите, получени по време на процеса на тестване, могат да ви изтласкат от идеята за промяна на оригиналната информация или знаков модел, където се поставя предимно семантичното съдържание на задачата.

Второ, изходните данни в теста не могат напълно да отразяват реалната ситуация. Това може да бъде всяка комбинация от най-простите числа или символи. Важно е да знаете предварително очаквания резултат със специфична възможност за източника. Например, моделът е представен под формата на сложни математически отношения. Тя трябва да бъде тествана. Можете да изберете няколко опции за най-простите стойности на източника и изчислете крайния отговор предварително, т.е. знаете очаквания резултат. След това прекарвате компютърен експеримент с тези източници и сравнете резултата с очаквания. Те трябва да съвпадат. Ако не сте съвпаднали, трябва да търсите и елиминирате причината.

След тестването, когато имате доверие в правилното функциониране на модела, отивате директно технология за моделиране.

Технологията за моделиране е набор от насочени потребителски действия по компютърния модел.

Всеки експеримент трябва да бъде придружен от разбирането на резултатите, което ще бъде основата за анализиране на резултатите от моделирането.

Л. В. Прапалясин,
, www.levpi.narod.ru, Mou Sosh No. 2, Dzerzhinsk, Nizhny Novgorod Region.

Компютърни физически експеримент

4. Компютърни компютърен експеримент

Изчислителен експеримент
в независима област на науката.
R.g. efremov, df-m.n.

Изчисленият компютър експеримент е до голяма степен подобен на обичайната (тост). Това са експериментално планиране и създаване на експериментална инсталация и извършване на контролни тестове и провеждане на поредица от експерименти и обработват експериментални данни, тяхното тълкуване и др. Въпреки това, той не се извършва над реалния обект, но върху неговия математически модел, ролята на експерименталните инсталации, оборудвани със специална компютърна програма.

Компютърният експеримент става все по-популярен. Те са ангажирани в много институти и университети, например в Московския държавен университет. М.В. Ломоносов, МФСУ, Институт по цитология и генетика, SB RAS, Институт по молекулярна биология на Руската академия на науките и др. Учените вече могат да получат важни научни резултати без реален, "мокър" експеримент. За това няма само компютърна сила, но и необходимите алгоритми и най-важното - разбиране. Ако се използва за разделен - in vivo, in vitro- Тогава сега добави повече в силико.. Всъщност компютърният експеримент става независима научна област.

Предимствата на такъв експеримент са очевидни. Обикновено той е по-евтин на интензивното. Тя може да бъде лесно и безопасно да се намесва. Тя може да бъде повторена и прекъсната по всяко време. По време на този експеримент можете да симулирате условия, които не могат да бъдат създадени в лабораторията. Важно е обаче да се помни, че компютърният експеримент не може напълно да замени Naturic, а бъдещето е за тяхната разумна комбинация. Компютърният компютър експеримент служи като мост между съпътстващия експеримент и теоретичните модели. Началната точка на числено моделиране е разработването на идеализиран модел на разглежданата физическа система.

Разгледайте няколко примера за изчислителен физически експеримент.

Момент на инерция. В "Отворена физика" (2.6, част 1) Има интересен компютърен експеримент, за да се намери момента на инерция на твърдо тяло върху пример за система, състояща се от четири топки, нанизани върху една игла. Можете да промените позицията на тези топки на иглата, както и да изберете положението на оста въртенето, като го провеждате както през центъра на плетене, и през краищата му. За всяко местоположение на топките учениците се изчисляват с помощта на теоремата на Steiner на паралелния трансфер на стойността на въртенето на момента на инерцията. Данни за учителя за докладване на изчисления. След изчисляване на момента на инерцията данните се въвеждат в програмата и се проверяват резултатите, получени от учениците.

"Черна кутия". За да приложим изчислителен експеримент, създадохме няколко програми за изследване на съдържанието на електрическа "черна кутия". Може да съдържа резистори, крушки с нажежаема жичка, диоди, кондензатори, намотки и др.

Оказва се, че в някои случаи е възможно, без да отваряте "черната кутия", открийте съдържанието му, свързвайки различни устройства към входа и изхода. Разбира се, на ниво училище, това може да се направи за прост три или четири полюс. Тези задачи развиват въображението на учениците, пространственото мислене и творческите способности, да не говорим за това да ги решавате, е необходимо да имате дълбоки и силни познания. Ето защо това не е случайно, че в много хора съюз и международни олимпиади във физиката като експериментални задачи предлагат проучване на "черни кутии" по механика, топлина, електричество и оптика.

В курсовете за скорост прекарвам три реални лабораторни упражнения, когато в "черната кутия":

- само резистори;

- резистори, лампи и диоди на нажежаема жичка;

- резистори, кондензатори, намотки, трансформатори и осцилаторни контури.

Структурно "черни кутии" са направени в празни кутии за съвпадение. Вътре в кутията се поставя електрическата верига и кутиите се втурват с скоч. Изследванията се извършват с помощта на инструменти - автометри, генератори, осцилоскопи и др., Защото За това трябва да построите Wah и Ahh. Учебните свидетелстващи студенти се въвеждат в компютър, който обработва резултатите и се изгражда VAC и AHH. Това позволява на учениците да разберат какви подробности са в "черната кутия" и определят техните параметри.

Когато извършвате фронтална лабораторна работа с "черни кутии", възникват трудности, свързани с липса на инструменти и лабораторно оборудване. Наистина, защото за изследвания е необходимо да се има, да речем, 15 осцилоскопи, 15 звукови генератора и т.н., т.е. 15 комплекта скъпо оборудване, което повечето училища нямат. И тук виртуалните "черни кутии" идват в спасителните компютърни програми.

Предимството на тези програми е, че изследванията могат да се извършват едновременно от целия клас. Като пример, ние разглеждаме програма, която осъществява с помощта на генератор на случайни числа "черни кутии", съдържащи само резистори. От лявата страна на работния плот има "черна кутия". Той има електрическа верига, състояща се само от резистори, които могат да бъдат разположени между точките. A, B, с и Д..

На разположение на ученика има три инструмента: източник на енергия (вътрешната му резистентност към опростяване на изчисленията е равна на нула, а ЕМР се генерира от произволна програма); волтметър (вътрешна резистентност, равна на безкрайността); Амперметър (вътрешното съпротивление е нула).

Когато стартирате програмата в "черната кутия", електрическа верига, съдържаща от 1 до 4 резистора, се генерира на случаен принцип. Студентът може да направи четири опита. След като натиснете произволен клавиш, се предлага да се свържете с терминалите на "черна кутия", която и да е от предложените устройства във всяка последователност. Например, свързан с терминалите AU. Източникът на текущия с EDC \u003d 3 V (стойността на EDC се генерира от програмата на случаен принцип, в този случай се оказа 3 V). До терминали CD. Свързах волтметър и свидетелството му беше 2.5 V. От това трябва да се заключи, че има най-малко делител на напрежението в "черна кутия". За да продължите експеримента, един амперметър може да бъде свързан вместо волтметър и да се премахнат показанията. Тези данни очевидно не са достатъчни за мистерията. Ето защо можете да похарчите още два експеримента: текущият източник се свързва с терминалите CD.и волтметър и амперметър - към терминалите AU.. Получените в това данни ще бъдат достатъчни за решаване на съдържанието на "черната кутия". Ученикът на хартия нарисува схема, изчислява параметрите на резисторите и показва резултатите от учителя.

Учител, проверка на работата, въвежда съответния код на програмата и се появява схема на работния плот в тази "черна кутия" и параметрите на резисторите.

Програмата е написана от моите ученици в Байсик. Да го управлявам Уиндоус експи. или в Windows Vista. Можете да използвате програмата за емулатор DOS., например, Dosbox.. Можете да го изтеглите от моя сайт www.physics-computer.by.ru.

Ако в "черната кутия" има нелинейни елементи (лампи с нажежаема жичка, диоди и т.н.), след това освен незабавни измервания, тя ще трябва да премахне WAH. За тази цел е необходимо да има източник на ток, напрежение, на изходите, от които напрежението може да бъде променено от 0 до някаква стойност.

За да изучават индуктори и контейнери, е необходимо да се премахне честотната характеристика, като се използва виртуалният звуков генератор и осцилоскоп.

Селектор за скорост. Помислете за друга програма от "отворена физика" (2.6, част 2), която позволява изчислителен експеримент с селектора за скорост в масспектрометъра. За да се определи масата на частицата, използвайки масспектрометър, е необходимо да се извърши предварителен избор на заредени частици със скорост. Тази цел и служат така наречените селектори за скорост.

В най-простия селектор на скоростта, заредените частици се движат в кръстосани хомогенни електрически и магнитни полета. Електрическото поле е създадено между плочите на плоския кондензатор, магнитно - при клирънса на електромагнита. Начална скорост υ Заредени частици, насочени перпендикулярно на вектори Д. и В .

Има две якост на заредената частица: електрическа енергия q. Д. и магнитна сила lorentz q. υ × Б. . При определени условия тези сили могат да се балансират точно помежду си. В този случай, заредената частица ще се движи равномерно и права. Летящи през кондензатора, частицата ще премине през малка дупка на екрана.

Състоянието на права траектория на частицата не зависи от заряда и масата на частицата и зависи само от скоростта му: qE \u003d QIB.→ υ \u003d e / b.

В компютърен модел можете да промените стойностите на напрежението на електрическото поле Е, индуцирането на магнитното поле Б. и първоначална скорост на частиците υ . Опитът в селекциите на скоростите могат да се извършват за електрон, протон, а-частици и напълно йонизиран уран-235 и уран-238 атома. Изчисленият експеримент в този компютърен модел се извършва, както следва: студентите докладват, че заредената частица лети в селектора на скоростта, силата на електрическото поле и първоначалната скорост на частицата. Учениците изчисляват индуцирането на магнитното поле съгласно горните формули. След това данните се въвеждат в програмата и спазват летящите частици. Ако частицата лети в селектора на скоростта хоризонтално, тогава изчисленията са верни.

По-сложни компютърни експерименти могат да бъдат изразходвани чрез прилагане на безплатен пакет. "Моделна визия за прозорци". Пакет ModelVisionStudium (MVS) Това е интегрирана графична обвивка на бързото създаване на интерактивни визуални модели на сложни динамични системи и извършване на изчислителни експерименти с тях. Пакетът е разработен от експерименталната група за изследване на обектите в катедрата по разпределени изчисления и компютърни мрежи Факултет по техническа кибернетика на Държавен Технически университет "Санкт Петербург". Безплатен пакет безплатно MVS. 3.0 е достъпна на www.exponenta.ru. Технология за моделиране в околната среда MVS. Въз основа на концепцията за виртуална лаборатория. На щанда, потребителят е поставен виртуални блокове на симулирана система. Виртуалните блокове за модела са избрани или от библиотеката, или са създадени от потребителя отново. Пакет MVS. Проектиран да автоматизира основните етапи на експеримента за изчисляване: изграждане на математически модел на изучаването на обекта, генериране на софтуерно изпълнение на модела, проучвания на свойствата на модела и представлява резултатите във форма, удобен за анализ. Изследването на обекта може да се отнася до класа на непрекъснати, дискретни или хибридни системи. Пакетът е най-добре приспособен да изучава сложни физически и технически системи.

Като пример Помислете за доста популярна задача. Нека материалната точка, хвърлена под някакъв ъгъл към хоризонталната равнина и абсолютно еластично конструира с тази равнина. Този модел е станал почти задължителен в демонстрационния набор от примери за моделиране на пакети. Всъщност това е типична хибридна система с непрекъснато поведение (полет в полето) и дискретни събития (скача). Този пример също илюстрира обектно-ориентиран подход към моделиране: топка, летяща в атмосферата, е потомък на топка, която лети в безвъздушно пространство, и автоматично наследява всички общи черти, като добавя собствените си характеристики.

Последният, финал, от гледна точка на потребителя, етап на моделиране, е етап на описване на формата на представяне на резултатите от компютърния експеримент. Те могат да бъдат таблици, графики, повърхности и дори анимация, илюстриращи резултатите в реално време. По този начин потребителят наистина наблюдава динамиката на системата. Можете да премествате точките във фазовото пространство, начертано от потребителските елементи на дизайна, цветовата гама може да варира и потребителят може да следва на екрана, например, зад процесите на отопление или охлаждане. В моделите създадени софтуерни пакети, можете да осигурите специални прозорци, които ви позволяват да променяте стойностите на параметрите в хода на експеримента за изчисляване и веднага да видите ефектите от промените.

Много работа по визуално моделиране на физически процеси в MVS. Тя се извършва в IGSU. Разработи редица виртуални работи по хода на общата физика, която може да бъде свързана с реални експериментални настройки, което дава възможност едновременно да се спазва промяната в параметрите като истински физически процес и параметрите на неговия модел, ясно демонстриране на неговата адекватност . Като пример ние даваме седем лабораторни упражнения по механика от лабораторния семинар на интернет портала на отворено образование, което отговаря на съществуващите държавни образователни стандарти в специалността "учител по физика": изучаването на права линия с помощта на помощта на машината на Атруд; Измерване на скоростта на куршума; Добавяне на хармонични трептения; Измерване на момента на инерцията на колелото на велосипеда; изследване на ротационното движение на твърдото тяло; определяне на ускорението на свободното спадане, използвайки физическо махало; Проучване на свободните колебания във физическото махало.

Първите шест са виртуални и са моделирани на компютри в Modelvisionstumiumfree.И последният има и виртуален вариант и две реални. В едно, предназначено за дистанционно обучение, студентът трябва независимо да направи махало от големи канцеларски клипове и гумичка и да го оказва под компютърна шахта без топка, да получите махало, чието отклонение се чете от специална програма и трябва да се чете от специална програма и трябва да се използват от ученици при обработката на резултатите от експеримента. Такъв подход позволява част от уменията, необходими за експерименталната работа, да се работи само на компютър, а останалата част от частта - при работа с налични реални уреди и с отдалечен достъп до оборудване. В друго изпълнение, предназначено за домашно приготвяне на студенти на пълно работно време за извършване на лабораторни упражнения в семинара на катедра "Обща и експериментална физика на Физическия факултет" Зпол, ученик упражнява уменията за работа с експериментална инсталация на виртуален модел, \\ t и в лабораторията провежда експеримент едновременно на конкретна реална инсталация и с виртуалния си модел. В същото време той използва както традиционните измервания на измерването под формата на оптична скала и хронометър, както и по-точни и високоскоростни средства - сензор за преместване въз основа на оптична мишка и компютърен таймер. Едновременното сравнение на трите изображения (традиционни, определени с помощта на електронни сензори, свързани с компютър, и модел) на същия феномен, ни позволява да заключим за границите на адекватността на модела, когато данните за компютърната симулация започва след известно време все повече и повече различни от показанията, премахнати на реална инсталация.

Тези не са изтощени, възможностите за използване на компютър в физическия изчислителен експеримент не се изчерпват. Така за творчески работен учител и неговите ученици винаги ще има неизползвани възможности в областта на виртуалния и истинския физически експеримент.

Ако имате коментари и предложения за различни видове експеримент за физически компютър, пишете ми на:

В представеното по-горе определение терминът "експеримент" има двойно значение. От една страна, в компютърния експеримент, както и в реални, системните отговори се изследват на определени промени в параметрите или на външни влияния. Параметрите често използват температура, плътност, състав. И експозицията се прилага най-често чрез механични, електрически или магнитни полета. Разликата е само, че експериментаторът се занимава с реалната система, докато в компютърния експеримент се разглежда поведението на математическия модел на реалния обект. От друга страна, възможността за получаване на строги резултати за добре дефинирани модели позволява използването на компютърен експеримент като независим източник на информация за тестване на прогнозите за аналитични теории и следователно в този капацитет симулационните резултати играят ролята на ролята от същата справка като опитни данни.

Изглежда от всичко, което изглежда, че има възможност за два много различни подхода към формулирането на компютърен експеримент, който се дължи на естеството на решаването на задачата и по този начин определя избора на описание на модела.

Първо, изчисленията на MD или MK методи могат да преследват чисто утилитарни цели, свързани с прогнозата на свойствата на дадена реална система и тяхното сравнение с физическия експеримент. В този случай можете да направите интересни прогнози и да извършвате изследвания в екстремни условия, например с ултравидно налягане или температури, когато истински експеримент, по различни причини, нереалистични или изискват твърде големи материални разходи. Моделирането на компютър често обикновено е единственият начин да се получи най-подробна ("микроскопска") информация за поведението на сложна молекулярна система. Това е особено ясно ясно показано от числови експерименти на динамичен тип с различни биосистеми: глобуларни протеини в родното състояние, ДНК фрагменти и РНК , Липидни мембрани. В редица случаи получените данни бяха принудени да преразгледат или значително променят предишните идеи за структурата и функционирането на тези обекти. Трябва да се има предвид, че тъй като в такива изчисления се използват различни видове валентни и немислените потенциали, които само приближават истинските взаимодействия на атомите, това обстоятелство в крайна сметка определя мярката за съответствие между модела и реалността. Първоначално обратният проблем се извършва, когато потенциалните потенциали са калибрирани съгласно съществуващите експериментални данни и само тогава тези потенциали вече се използват за получаване на по-подробна информация за системата. Понякога параметрите на междутационните взаимодействия могат да бъдат намерени по принцип от квантовите химични изчисления, направени за по-прости моделни връзки. При моделиране на MD или MK MK, молекулата не се третира като набор от електрони и ядра, при спазване на законите на квантовата механика, но като система от свързани класически частици - атоми. Този модел се нарича машинен модел на молекула .

Целта на друг подход към формулирането на компютърен експеримент може да бъде разбиране на общите (универсални или инвариантни) модели на поведение на обучението, т.е. такива модели, които се определят само от най-типичните характеристики на този клас на обекти, но не и подробности за химическата структура на отделно съединение. В този случай компютърният експеримент е насочен към установяване на функционални облигации, а не изчисляване на цифрови параметри. Тази идеология в най-различната форма присъства в теорията на полимерите. От гледна точка на този подход компютърната симулация действа като теоретичен инструмент, който преди всичко ви позволява да проверите заключенията от съществуващите аналитични методи на теорията или да допълвате техните прогнози. Такова взаимодействие между аналитичната теория и компютърния експеримент е много плодотворно, когато идентични модели могат да използват и в двата подхода. Най-впечатляващият пример за този вид генерализирани модели на полимерни молекули може да служи като т.нар решетъчен модел . Тя се основава на различни теоретични конструкции, по-специално тези, свързани с решението на класическата и в известен смисъл, основният проблем на физикохимичните полимери върху ефекта на обемните взаимодействия за конформация и съответно върху свойствата на гъвкав полимер верига. При взаимодействия в насипно състояние, прекъсващите сили за къси гама обикновено се подразбират между връзките, премахнати по веригата, когато те се доближават в пространството поради случайни завои за макромолекулата. В решетъчния модел реалната верига се счита за счупена траектория, която преминава през възлите на правилната решетка от даден тип: кубични, тетраедрични и т.н. Задействаните решетъчни възли съответстват на полимерните връзки (мономери) и свързване Те са сегменти - химически връзки в скелета на макромолекулите. Забраната на самозасекцията на траекторията (или с други думи, невъзможността да се въведат едновременно два или повече мономера в един решетъчен възел) модели обемни взаимодействия (фиг. 1). Това е, ако, например, ако се използва методът на МК и, когато разсеете произволната избрана връзка, тя влиза в вече натоварения възел, след това такава нова конформация се изхвърля и вече не се взема предвид при изчисляването на параметрите на системата. Различни местоположения на веригата на решетката съответстват на съответства на полимерната верига. Има осредняване на необходимите характеристики, например, разстоянието между краищата на R.

Изследването на такъв модел дава възможност да се разбере как обемните взаимодействия влияят на зависимостта на средно-квадратната стойност. От броя на връзките във веригата n . Разбира се, стойността , Определянето на средния размер на полимерната топка, играе важна роля в различни теоретични конструкции и може да бъде измерена върху опита; Въпреки това все още няма точна аналитична формула за изчисляване на зависимостта от n в присъствието на насипни взаимодействия. Можете също да въведете допълнителна енергия за привличане между тези двойки на връзките, които ударят съседните решетъчни възли. Променя тази енергия в компютърен експеримент, по-специално е възможно да се изследва интересен феномен, наречен преход на "tangle - globule", когато, поради силите на вътрешномолекулното привличане, разгърнатата полимерна плетач се компресира и се превръща в Компактна структура - глобус, наподобяващ течен микроскопичен спад. Разбирането на подробностите за такъв преход е важно за развитието на най-общите идеи за напредъка на биологичната еволюция, която доведе до появата на глобуларни протеини.

Съществуват различни модификации на решетъчни модели, например, в които дължините на връзките между връзките нямат фиксирани стойности, но са способни да се променят на определен интервал, което гарантира само забрана на верижните самозалепвания, които са като широко разпространен модел с "колебаещи се връзки". Въпреки това, всички решетки модели обединяват това, което са те отделен Това означава, че броят на възможните конформации на такава система винаги е разбира се (въпреки че може да бъде астрономическа стойност дори и с относително малък брой връзки във веригата). Всички отделни модели имат много висока изчислителна ефективност, но като правило могат да бъдат изследвани само от Монте Карло.

За редица случаи се използват непрекъснато Генерализирани модели на полимери, които са в състояние непрекъснато да променят конформацията. Най-простият пример е верига, съставена от даден номер. Н. Твърди топки, последователно свързани чрез твърди или еластични връзки. Такива системи могат да бъдат изследвани както от метода на Монте Карло, така и от метода на молекулярна динамика.