آزمایش رایانه ای تجزیه و تحلیل نتایج شبیه سازی برای حیات بخشیدن به تحولات جدید طراحی ، معرفی راه حل های فنی جدید در تولید ، یا آزمایش ایده های جدید ، آزمایش لازم است.
رایانه مدرن کاربردهای زیادی دارد. همانطور که می دانید در این میان ، توانایی های رایانه به عنوان وسیله ای برای خودکارسازی فرایندهای اطلاعات از اهمیت ویژه ای برخوردار است. اما قابلیت های آن از اهمیت کمتری برخوردار نیست ابزارکار تجربی و تجزیه و تحلیل نتایج آن.
آزمایش محاسباتیمدتهاست که در علم شناخته شده است. کشف سیاره نپتون "در انتهای قلم" را به خاطر بسپارید. غالباً ، نتایج تحقیقات علمی تنها درصورتی قابل اعتماد تلقی می شوند که بتوانند در قالب مدلهای ریاضی ارائه شده و توسط محاسبات ریاضی پشتیبانی شوند. علاوه بر این ، این نه تنها در فیزیک صدق می کند.
یا طراحی فنی ، بلکه به جامعه شناسی ، زبانشناسی ، بازاریابی - رشته های سنتی بشردوستانه ، دور از ریاضیات.
یک آزمایش محاسباتی یک روش نظری شناخت است. توسعه این روش است شبیه سازی عددی- یک روش علمی نسبتاً جدید که به لطف ظهور رایانه رایج شده است.
مدل سازی عددی به طور گسترده ای هم در عمل و هم در تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گیرد.
مثال.بدون ساخت مدل های ریاضی و انجام انواع محاسبات بر روی داده هایی که از ابزار اندازه گیری به طور مداوم تغییر می کنند ، کار با خطوط تولید اتوماتیک ، خلبانان اتوماتیک ، ایستگاه های ردیابی و سیستم های تشخیص خودکار غیرممکن است. علاوه بر این ، برای اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم ها ، محاسبات باید در زمان واقعی انجام شود و خطاهای آنها می تواند میلیونیم ها درصد باشد.
مثال.یک ستاره شناس مدرن را اغلب نه در چشمی یک تلسکوپ ، بلکه در مقابل نمایشگر کامپیوتر می توان دید. و نه تنها یک نظریه پرداز ، بلکه یک ناظر نیز هست. نجوم علمی غیرمعمول است. او ، به عنوان یک قاعده ، نمی تواند مستقیماً با اهداف تحقیق آزمایش کند. انواع مختلف تابش (الکترومغناطیسی ، گرانش ، نوترینو یا شار اشعه کیهانی) ، ستاره شناسان فقط "جاسوسی" و "استراق سمع" می کنند. این بدان معناست که شما باید بیاموزید چگونه بیشترین اطلاعات ممکن را از مشاهدات استخراج کرده و آنها را در محاسبات تولید کنید تا فرضیه های توصیف این مشاهدات را آزمایش کنید. کاربردهای رایانه در نجوم و همچنین سایر علوم بسیار متنوع است. این اتوماسیون مشاهدات و پردازش نتایج آنها است (ستاره شناسان تصاویر را نه در چشمی ، بلکه در مانیتور متصل به دستگاه های خاص می بینند). برای کار با کاتالوگهای بزرگ (ستاره ها ، تجزیه و تحلیل طیفی ، ترکیبات شیمیاییو غیره.).
مثال.همه عبارت "طوفان در یک لیوان آب" را می دانند. برای بررسی دقیق چنین فرآیند هیدرودینامیکی پیچیده ای مانند طوفان ، استفاده از روشهای پیچیده مدل سازی عددی ضروری است. بنابراین ، در مراکز بزرگ هواشناسی ، رایانه های قدرتمندی وجود دارد: "طوفان بازی می شود" در کریستال پردازنده رایانه.
حتی اگر محاسبات خیلی پیچیده ای انجام ندهید ، اما شما باید آنها را یک میلیون بار تکرار کنید ، بهتر است یک بار برنامه را بنویسید ، و رایانه هر چند بار که لازم باشد آن را تکرار می کند (البته محدودیت سرعت کامپیوتر).
مدل سازی عددی می تواند یک روش تحقیقاتی مستقل باشد ، هنگامی که فقط مقادیر برخی از شاخص ها (به عنوان مثال ، هزینه تولید یا طیف انتگرالی کهکشان) مورد توجه باشد ، اما بیشتر اوقات به عنوان یکی از ابزارهای ساخت عمل می کند مدل های رایانه ای به معنای وسیع تر این اصطلاح.
از لحاظ تاریخی ، اولین کار در زمینه مدل سازی رایانه با فیزیک همراه بود ، جایی که از مدل سازی عددی برای حل کل دسته ای از مشکلات هیدرولیک ، فیلتراسیون ، انتقال حرارت و انتقال گرما ، مکانیک جامد و غیره استفاده شد. شبیه سازی عمدتا راه حلی برای مشکلات پیچیده غیرخطی بود از فیزیک ریاضی و در اصل ، البته ، مدل سازی ریاضی بود. موفقیت های مدل سازی ریاضی در فیزیک باعث گسترش آن در مشکلات شیمی ، مهندسی برق ، زیست شناسی شد و طرح های مدل سازی تفاوت چندانی با یکدیگر نداشتند. پیچیدگی وظایف حل شده بر اساس مدل سازی فقط توسط قدرت رایانه های موجود محدود بود. این نوع مدل سازی در زمان حاضر گسترده است. علاوه بر این ، در طول توسعه مدل سازی عددی ، کل کتابخانه های زیرروالین و توابع جمع آوری شده است که استفاده از آنها را تسهیل می کند و قابلیت های مدل سازی را گسترش می دهد. و با این حال ، در حال حاضر ، مفهوم "مدل سازی رایانه ای" معمولاً نه با رشته های بنیادی علوم طبیعی ، بلکه در درجه اول با تجزیه و تحلیل سیستمی از سیستم های پیچیده از نقطه نظر سایبرنتیک (یعنی از نقطه نظر مدیریت ، خود مدیریتی) ، خودسازماندهی). و اکنون مدل سازی رایانه ای به طور گسترده ای در زیست شناسی ، اقتصاد کلان ، در ایجاد سیستم های کنترل خودکار و غیره استفاده می شود.
مثال.آزمایش پیاژه را که در پاراگراف قبل شرح داده شد به خاطر بسپارید. البته این کار نه با اشیا real واقعی بلکه با یک تصویر انیمیشن روی صفحه نمایش قابل انجام است. اما حرکت اسباب بازی ها را می توان در فیلم معمولی فیلمبرداری کرد و از تلویزیون نشان داد. آیا توصیه می شود در این مورد شبیه سازی رایانه ای ، استفاده از رایانه را فراخوانی کنید؟
مثال. به عنوان مثال ، مدل پرواز جسمی که به صورت عمودی به سمت بالا یا در زاویه افق قرار می گیرد ، نمودار ارتفاع بدن در برابر زمان است. شما می توانید آن را بسازید
الف) روی یک ورق کاغذ نقطه به نقطه ؛
ب) در یک ویرایشگر گرافیکی برای همان نقاط ؛
ج) استفاده از یک برنامه گرافیکی تجاری ، به عنوان مثال ، در
صفحات گسترده
د) با نوشتن برنامه ای که نه تنها نمایش می دهد
مسیر پرواز ، اما همچنین اجازه می دهد تا شما را به مجموعه ای متفاوت است
داده های اولیه (زاویه شیب ، سرعت اولیه
رشد)
چرا نمی خواهید گزینه b) مدل رایانه ای را فرا بگیرید ، در حالی که گزینه های c) و d) کاملاً با این نام مطابقت دارند؟
زیر مدل رایانه ایاغلب یک برنامه (یا یک برنامه به علاوه یک دستگاه خاص) را درک می کند که ویژگی ها و رفتار یک شی خاص را شبیه سازی می کند. به نتیجه اجرای این برنامه مدل رایانه ای نیز گفته می شود.
در ادبیات تخصصی ، اصطلاح "مدل رایانه ای" دقیق تر به شرح زیر تعریف شده است:
یک تصویر شرطی از یک شی یا برخی از سیستم های اشیا ((فرآیندها ، پدیده ها) ، توصیف شده با استفاده از جداول رایانه ای بهم پیوسته ، نمودارهای بلوکی ، نمودارها ، نمودارها ، نقاشی ها ، قطعات انیمیشن ، ابرمتن و غیره ، و منعکس کننده ساختار (عناصر و روابط بین آنها) از شی. مدلهای رایانه ای از این نوع نامیده می شوند ساختاری و عملکردی
یک برنامه جداگانه یا مجموعه ای از برنامه ها که به کمک دنباله ای از محاسبات و نمایش گرافیکی نتایج آنها ، امکان تولید مثل (تقلید) از فرآیندهای عملکرد یک جسم را فراهم می کند ، به شرطی که تحت تأثیر انواع مختلف ، معمولاً تصادفی قرار گیرد. عوامل. به چنین مدلهایی گفته می شود تقلید
مدل های رایانه ای می توانند ساده یا پیچیده باشند. شما هنگام برنامه نویسی یا ساخت پایگاه داده خود بارها مدل های ساده ایجاد کرده اید. در سیستم های گرافیک سه بعدی ، سیستم های خبره ، سیستم های کنترل خودکار ، مدل های رایانه ای بسیار پیچیده ای ساخته و استفاده می شود.
مثال.ایده ساخت مدلی از فعالیت های انسانی با استفاده از رایانه جدید نیست و یافتن چنین حوزه فعالیتی که در آن سعی در اجرای آن نداشته باشند دشوار است. سیستم های خبره برنامه های رایانه ای هستند که بر اساس دانش انباشته شده دانش بنیان ، اقدامات یک متخصص انسانی را در حل مشکلات در هر حوزه موضوعی شبیه سازی می کنند. ES مشکل مدل سازی فعالیت ذهنی را حل می کند. به دلیل پیچیدگی مدل ها ، توسعه ES معمولاً چندین سال به طول می انجامد.
علاوه بر پایگاه دانش ، سیستم های خبره مدرن دارای یکسری سابقه هستند - به عنوان مثال ، نتایج بررسی افراد واقعی و اطلاعات مربوط به موفقیت / شکست بعدی فعالیت های آنها. به عنوان مثال ، پایه سیستم خبره NYPD 786 است 000 512. مردم ، مرکز "سرگرمی" (سیاست پرسنل در این شرکت) - 000 علاوه بر این ، طبق گفته متخصصان این مرکز ، ES تولید شده توسط آنها فقط با بیش از حد پایه ، با دقت مورد انتظار به دست می آید 200 000 مردم ، ایجاد آن 6 سال طول کشید.
مثال.پیشرفت در ایجاد گرافیک رایانه ای از فریم های سیم مدل های سه بعدی با تصاویر ساده در مقیاس خاکستری به سمت تصاویر واقع گرایانه مدرن که نمونه هایی از هنر هستند ، حرکت کرده است. این نتیجه موفقیت در بیشتر بود تعریف دقیقمحیط مدل سازی. شفافیت ، بازتاب ، سایه ها ، الگوهای نورپردازی و خصوصیات سطح برخی از مناطقی است که تیم های تحقیقاتی سخت تلاش می کنند ، به طور مداوم الگوریتم های جدیدی را برای ایجاد تصاویر مصنوعی فزاینده واقعی پیشنهاد می دهند. امروزه از این تکنیک ها برای ایجاد انیمیشن هایی با کیفیت بالا استفاده می شود.
نیازهای عملی که درمدل سازی رایانه ای وظایفی را برای توسعه دهندگان سخت افزار تعیین می کند منابع مالیکامپیوتر. این است که ، این روش به طور فعال نه تنها بر ظهور جدید و برنامه های جدید ،ولی ودر توسعهابزار فنی
مثال.برای اولین بار آنها در دهه 80 شروع به صحبت در مورد هولوگرافی رایانه کردند. بنابراین ، در سیستم های طراحی به کمک رایانه ، در سیستم های اطلاعات جغرافیایی ، خوب است که بتوانیم نه تنها به یک موضوع مورد علاقه در شکل سه بعدی نگاه کنیم ، بلکه آن را به شکل یک هولوگرام قابل چرخش نشان دهیم ، کج شد و به داخل آن نگاه کرد. برای ایجاد یک تصویر هولوگرافی مفید در برنامه های دنیای واقعی ، شما نیاز دارید
هولوگرافیک
تصاویر 
نمایشگرهایی با تعداد غول پیکر پیکسل - حداکثر تا یک میلیارد. اکنون چنین کاری بطور فعال در حال انجام است. همزمان با توسعه صفحه نمایش هولوگرافی نوسان کاملکار برای ایجاد یک ایستگاه کاری سه بعدی بر اساس اصلی به نام "جایگزینی واقعیت" در حال انجام است. در پشت این اصطلاح ایده استفاده گسترده از همه روشهای طبیعی و شهودی وجود دارد که فرد هنگام تعامل با مدلهای طبیعی (ماده-انرژی) از آنها استفاده می کند ، اما در عین حال بر بهبود و توسعه همه جانبه آنها با کمک به فرصت های منحصر به فرد سیستم های دیجیتال... به عنوان مثال تصور می شود که امکان دستکاری و تعامل با هولوگرام های رایانه ای در زمان واقعی از طریق اشاره و لمس وجود دارد.
مدل سازی رایانه ایموارد زیر را دارد مزایای:
وضوح را فراهم می کند
موجود برای استفاده
مزیت اصلی مدل سازی رایانه ای این است که نه تنها مشاهده ، بلکه همچنین پیش بینی نتیجه آزمایش در برخی شرایط خاص را امکان پذیر می کند. به لطف این فرصت ، این روش در زیست شناسی ، شیمی ، جامعه شناسی ، محیط زیست ، فیزیک ، اقتصاد و بسیاری از زمینه های دانش دیگر کاربرد دارد.
از شبیه سازی رایانه ای به طور گسترده ای در آموزش استفاده می شود. با کمک برنامه های ویژه ، می توان مدل هایی از این پدیده ها مانند پدیده های جهان خرد و جهان را با ابعاد نجومی ، پدیده های فیزیک هسته ای و کوانتومی ، توسعه گیاهان و تبدیل مواد در هنگام واکنش های شیمیایی مشاهده کرد.
آموزش متخصصان در بسیاری از مشاغل ، به ویژه از جمله کنترل کننده های ترافیک هوایی ، خلبانان ، توزیع کنندگان نیروگاه های هسته ای و نیروگاهی ، با استفاده از شبیه سازهای کنترل شده توسط رایانه انجام می شود که موقعیت های واقعی ، از جمله شرایط اضطراری را شبیه سازی می کند.
اگر دستگاه ها و ابزارهای واقعی لازم در دسترس نباشند یا اگر برای حل مسئله نیاز به استفاده از روشهای پیچیده ریاضی و محاسبات وقت گیر باشد ، می توان کار آزمایشگاهی را روی رایانه انجام داد.
مدل سازی رایانه ای امکان "احیای" قوانین فیزیکی ، شیمیایی ، بیولوژیکی ، اجتماعی مورد مطالعه ، برای انجام تعدادی آزمایش با مدل را فراهم می کند. اما فراموش نکنید که همه این آزمایشات بسیار مشروط هستند و ارزش شناختی آنها نیز بسیار مشروط است.
مثال. قبل از استفاده عملیواکنش های فروپاشی هسته ای فیزیکدانان هسته ای به سادگی از خطرات تابش نمی دانستند ، اما اولین کاربرد گسترده "دستاوردها" (هیروشیما و ناگازاکی) به وضوح نشان داد که چه مقدار تابش
s برای انسان خطرناک است. فیزیک را با الکترو هسته ای شروع کنید
ایستگاه ها ، بشریت برای مدت طولانی در مورد خطرات تابش اطلاعاتی کسب نمی کرد. دستاورد شیمی دانان در آغاز قرن گذشته - قوی ترین سموم دفع آفات DDT - برای مدت طولانی برای انسان کاملاً بی خطر تلقی می شد.
در زمینه استفاده از فن آوری های مدرن قدرتمند ، همانند سازی گسترده و استفاده بی رویه از محصولات نرم افزاری غلط ، این موارد ظاهراً کاملاً تخصصی از قبیل کفایت یک مدل رایانه ای از واقعیت ، می توانند از اهمیت جهانی قابل توجهی برخوردار شوند.
آزمایشات رایانه ای- این یک ابزار تحقیقاتی برای مدل ها است ، نه پدیده های طبیعی یا اجتماعی.
بنابراین ، همزمان با یک آزمایش رایانه ای ، همیشه باید یک آزمایش در مقیاس کامل انجام شود ، به طوری که یک محقق با مقایسه نتایج آنها ، می تواند کیفیت مدل مربوطه ، عمق درک ما از ماهیت پدیده ها را ارزیابی کند.
زایمان. فراموش نکنید که فیزیک ، زیست شناسی ، نجوم ، علوم کامپیوتر علوم مربوط به دنیای واقعی هستند نه واقعیت مجازی.
که در تحقیق علمیرایانه ، هم بنیادی و هم عملاً هدایت شده (کاربردی) ، رایانه اغلب به عنوان ابزاری ضروری برای کارهای تجربی عمل می کند.
یک آزمایش رایانه ای اغلب با موارد زیر مرتبط است:
با محاسبات پیچیده ریاضی (فصل
مدل سازی خط)؛
با ساخت و مطالعه بصری و / یا ویرایش
مدل های ماتیک (مدل سازی رایانه ای).
زیر مدل رایانه اییک برنامه (یا یک برنامه همراه با یک دستگاه خاص) قابل درک است که تقلیدی از ویژگی ها و رفتار یک شی خاص و همچنین نتیجه اجرای این برنامه را در فرم فراهم می کند تصاویر گرافیکی(ثابت یا پویا) ، مقادیر عددی ، جداول و غیره
بین مدل های رایانه ای ساختاری و عملکردی و شبیه سازی تفاوت قائل شوید.
ساختاری و عملکردییک مدل رایانه ای یک تصویر شرطی از یک شی یا برخی از سیستم های اشیا (است (فرآیندها ، پدیده ها) ، توصیف شده با استفاده از جداول رایانه ای بهم پیوسته ، نمودارهای بلوکی ، نمودارها ، نمودارها ، نقاشی ها ، قطعات انیمیشن ، ابرمتن و غیره و منعکس کننده ساختار یک شی یا رفتار آن.
مدل رایانه ای شبیه سازی یک برنامه یا مجموعه نرم افزاری مجزا است که با استفاده از توالی محاسبات و نمایش گرافیکی نتایج آنها ، امکان تولید مثل (تقلید) فرآیندهای عملکرد یک جسم را در شرایط قرار گرفتن در معرض عوامل مختلف تصادفی فراهم می کند.
مدل سازی رایانه ای روشی برای حل مسئله تجزیه و تحلیل یا سنتز یک سیستم (اغلب یک سیستم پیچیده) بر اساس استفاده از مدل رایانه ای آن است.
مزایای مدل سازی رایانهآیا آن است:
اجازه می دهد تا نه تنها برای مشاهده ، بلکه همچنین برای پیش بینی نتیجه آزمایش تحت برخی شرایط خاص.
به شما امکان می دهد پدیده های پیش بینی شده توسط هر نظریه را مدلسازی و مطالعه کنید.
این سازگار با محیط زیست است و تهدیدی برای طبیعت و انسان نیست.
وضوح را فراهم می کند
موجود برای استفاده
روش مدل سازی رایانه ای در زیست شناسی ، شیمی ، جامعه شناسی ، بوم شناسی ، فیزیک ، اقتصاد ، زبان شناسی ، فقه و بسیاری از زمینه های دیگر دانش کاربرد دارد.
مدل سازی رایانه ای به طور گسترده ای در آموزش ، آموزش و بازآموزی متخصصان استفاده می شود:
برای نمایش تصویری مدل های پدیده های جهان خرد و جهان با ابعاد نجومی ؛
برای شبیه سازی فرایندهای در حال انجام در جهان از طبیعت بی جان و بی جان
برای شبیه سازی شرایط واقعی کنترل سیستم های پیچیده ، از جمله شرایط اضطراری ؛
برای کارهای آزمایشگاهی در صورت عدم وجود دستگاه و ابزار لازم.
برای حل مشکلات ، اگر این نیاز به استفاده از پیچیده است روشهای ریاضیو محاسبات پر زحمت.
لازم به یادآوری است که این واقعیت عینی نیست که در رایانه شبیه سازی می شود ، بلکه واقعیت ماست مفاهیم نظریدر مورد او. هدف مدل سازی رایانه ای ، مدلهای ریاضی و سایر علوم است و نه اشیا real ، فرایندها ، پدیده های واقعی.
آزمایشات رایانه ای- این ابزاری برای کاوش در الگوها است ، نه پدیده های طبیعی یا اجتماعی.
معیار وفاداری هر یک از نتایج مدل سازی رایانه ای ، یک آزمایش طبیعی (فیزیکی ، شیمیایی ، اجتماعی) بود و باقی مانده است. در تحقیقات علمی و عملی ، یک آزمایش رایانه ای فقط می تواند با یک آزمایش طبیعی همراه باشد ، به طوری که یک محقق مقایسه می کند
با مشاهده نتایج آنها ، او می تواند کیفیت مدل ، عمق درک ما از ماهیت پدیده های طبیعی را ارزیابی کند.
مهم است که به یاد داشته باشید که فیزیک ، زیست شناسی ، نجوم ، اقتصاد ، علوم کامپیوتر علوم در مورد دنیای واقعی هستند ، نه در مورد 
واقعیت مجازی
تمرین 1
نامه ای که در یک ویرایشگر متن نوشته شده و از طریق ایمیل ارسال می شود ، به سختی یک مدل رایانه ای است.
ویرایشگرهای متنی اغلب به شما امکان می دهند نه تنها اسناد عادی (نامه ها ، بسته ها ، گزارش ها) ، بلکه الگوهای اسنادی نیز ایجاد کنید ، که در آنها اطلاعات دائمی وجود دارد که کاربر نمی تواند آنها را تغییر دهد ، زمینه های داده وجود دارد که توسط کاربر پر می شود ، و در آنجا زمینه هایی هستند که براساس داده های وارد شده به طور خودکار محاسبات ایجاد می شوند. آیا می توان چنین الگویی را به عنوان یک مدل رایانه ای در نظر گرفت؟ اگر چنین است ، در این حالت هدف مدل سازی چیست و هدف از ایجاد چنین مدلی چیست؟
تکلیف 2
شما می دانید که قبل از ایجاد یک پایگاه داده ، ابتدا باید یک مدل داده ایجاد کنید. همچنین می دانید که الگوریتم مدلی از فعالیت است.
هر دو مدل داده و الگوریتم ها اغلب با توجه به پیاده سازی رایانه ساخته می شوند. آیا می توانیم بگوییم که آنها در مقطعی به یک مدل رایانه ای تبدیل می شوند و اگر چنین است ، چه زمانی این اتفاق می افتد؟
توجه داشته باشید.پاسخ خود را در برابر تعریف مدل رایانه بررسی کنید.
تکلیف 3
مراحل ساخت مدل رایانه ای را با استفاده از مثال تهیه برنامه ای که برخی از پدیده های فیزیکی را شبیه سازی می کند ، توصیف کنید.
تکلیف 4
مثالهایی را بیان کنید که از چه زمانی شبیه سازی رایانه ای بسیار مفید بوده و چه عواقب نامطلوبی را به همراه داشته است. گزارشی در مورد این موضوع تهیه کنید.
یک آزمایش رایانه ای با یک مدل از سیستم در طول تحقیق و طراحی آن ، به منظور به دست آوردن اطلاعات در مورد ویژگی های روند عملکرد شی مورد بررسی انجام می شود. وظیفه اصلی برنامه ریزی آزمایش های رایانه ای ، کسب اطلاعات لازم در مورد سیستم مورد مطالعه تحت محدودیت منابع (صرف وقت رایانه ، حافظه و غیره) است. وظایف خاصی که هنگام برنامه ریزی آزمایش های رایانه ای حل می شوند شامل وظایف کاهش زمان رایانه برای مدل سازی ، افزایش دقت و اطمینان نتایج مدل سازی ، بررسی کفایت مدل و غیره است.
اثربخشی آزمایش های رایانه ای با مدل ها به میزان قابل توجهی به انتخاب برنامه آزمایش بستگی دارد ، زیرا این برنامه است که حجم و روش انجام محاسبات را در رایانه ، روش های جمع آوری و پردازش آماری نتایج مدل سازی سیستم تعیین می کند. . . بنابراین ، وظیفه اصلی برنامه ریزی آزمایش های رایانه ای با یک مدل به شرح زیر تنظیم شده است: لازم است اطلاعات مربوط به هدف مدل سازی را که در قالب الگوریتم مدل سازی (برنامه) ، با حداقل یا محدودیت منابع ماشین برای اجرای فرآیند مدل سازی.
مزیت آزمایش های رایانه ای نسبت به آزمایش های طبیعی توانایی تولید مثل کامل شرایط تجربی با مدلی از سیستم مورد مطالعه است. . یک مزیت قابل توجه نسبت به موارد طبیعی سادگی وقفه و از سرگیری آزمایش های رایانه ای است که استفاده از تکنیک های برنامه ریزی پی در پی و ابتکاری را ممکن می سازد که ممکن است در آزمایش با اشیا real واقعی عملی نباشد. هنگام کار با یک مدل رایانه ای ، همیشه می توان آزمایش را برای مدت زمان لازم برای تجزیه و تحلیل نتایج و تصمیم گیری در مورد مسیر بعدی آن (به عنوان مثال ، در مورد نیاز به تغییر مقادیر ویژگی های مدل) قطع کرد.
عیب آزمایش های رایانه ای این است که نتایج برخی مشاهدات به نتایج یک یا چند مورد قبلی بستگی دارد و بنابراین حاوی اطلاعات کمتری نسبت به مشاهدات مستقل است.
در زمینه یک پایگاه داده ، آزمایش رایانه ای به معنای دستکاری داده ها مطابق با یک هدف تعیین شده با کمک ابزار DBMS است. هدف از آزمایش می تواند بر اساس هدف کلی شبیه سازی و با در نظر گرفتن نیازهای یک کاربر خاص شکل بگیرد. به عنوان مثال ، یک پایگاه داده "دفتر دین" وجود دارد. هدف کلی ایجاد این مدل مدیریت فرایند یادگیری است. اگر شما نیاز به کسب اطلاعات در مورد پیشرفت دانش آموزان دارید ، می توانید یک درخواست را ارائه دهید ، به عنوان مثال آزمایشی را برای انتخاب اطلاعات لازم انجام دهید.
مجموعه ابزار DBMS به شما امکان می دهد عملیات زیر را بر روی داده انجام دهید:
1) مرتب سازی - مرتب سازی داده ها با توجه به برخی از ویژگی ها ؛
2) جستجو (فیلتر کردن) - انتخاب داده هایی که شرایط خاصی را برآورده می کنند.
3) ایجاد زمینه های محاسبه شده - تبدیل داده ها به فرم دیگر بر اساس فرمول ها.
مدیریت مدل اطلاعات به طور جدایی ناپذیری با توسعه معیارهای مختلف جستجو و مرتب سازی داده ها ارتباط دارد. بر خلاف پرونده های کاغذی ، که مرتب سازی براساس یک یا دو معیار امکان پذیر است و جستجو معمولاً به صورت دستی انجام می شود - با مرتب سازی بر روی کارت ها ، پایگاه داده های رایانه ای به شما امکان می دهد فرم های مرتب سازی را بر اساس زمینه های مختلف و معیارهای مختلف جستجو تنظیم کنید. کامپیوتر با توجه به معیار داده شده ، اطلاعات لازم را بدون وقت گیر مرتب یا انتخاب می کند.
برای کار موفقبا استفاده از یک مدل اطلاعاتی ، محیط نرم افزار پایگاه داده به شما امکان می دهد زمینه های محاسباتی ایجاد کنید که در آن اطلاعات اصلی به شکل دیگری تبدیل می شوند. به عنوان مثال ، با توجه به نمرات یک ترم ، می توانید از یک تابع داخلی داخلی ویژه برای محاسبه استفاده کنید میانگین امتیازپیشرفت دانشجو چنین فیلدهای محاسبه شده به صورت زیر استفاده می شود اطلاعات تکمیلی، یا به عنوان ملاکی برای جستجو و مرتب سازی.
یک آزمایش رایانه ای شامل دو مرحله است: آزمایش (بررسی صحت عملکردها) و انجام آزمایش با داده های واقعی.
بعد از تهیه فرمول برای فیلدها و فیلترهای محاسبه شده ، باید مطمئن شوید که درست کار می کنند. برای این کار می توانید سوابق آزمایشی را وارد کنید که نتیجه عمل از قبل برای آنها مشخص باشد.
آزمایش رایانه ای با صدور نتایج به شکلی مناسب برای تجزیه و تحلیل و تصمیم گیری به پایان می رسد. یکی از مزایای مدلهای اطلاعات رایانه ای ، توانایی ایجاد است اشکال مختلفارائه اطلاعات خروجی به نام گزارش هر گزارش حاوی اطلاعاتی است که با هدف یک آزمایش خاص مطابقت دارد. راحتی گزارش های رایانه ای در این واقعیت نهفته است که به شما امکان می دهد اطلاعات را بر اساس معیارهای مشخص گروه بندی کنید ، کل قسمت های شمارش رکوردها را بر اساس گروه ها و به طور کلی در کل پایگاه داده وارد کنید و سپس از این اطلاعات برای تصمیم گیری استفاده کنید.
این محیط به شما امکان می دهد چندین فرم معمول و معمول گزارش را ایجاد و ذخیره کنید. براساس نتایج برخی آزمایشات ، می توانید گزارش موقت ایجاد کنید که پس از کپی در سند متنی یا چاپ ، حذف شود. بعضی از آزمایش ها اصلاً نیازی به گزارش ندارند. به عنوان مثال ، شما باید موفق ترین دانش آموز را برای انتساب انتخاب کنید افزایش بورس تحصیلی... برای این کار کافی است بر اساس معدل نمرات ترم طبقه بندی شود. اطلاعات مورد نیاز شامل اولین ورودی در لیست دانشجویان خواهد بود.
برای حیات بخشیدن به تحولات جدید طراحی ، معرفی راه حل های فنی جدید در تولید ، یا آزمایش ایده های جدید ، آزمایشی لازم است. در گذشته ای نه چندان دور ، چنین آزمایشی می تواند در شرایط آزمایشگاهی بر روی تاسیسات مخصوص ایجاد شده برای آن ، یا در طبیعت ، یعنی روی نمونه واقعی محصول انجام شود ، و آن را تحت انواع آزمایشات قرار دهد. برای مطالعه ، به عنوان مثال ، ویژگی های عملیاتی هر واحد یا واحد ، آن را در یک ترموستات قرار داده ، در محفظه های مخصوص منجمد می کنند ، بر روی پایه های ارتعاش تکان می دهند ، می ریزند ، و غیره. خوب است اگر این یک ساعت یا جاروبرقی جدید باشد ... آنجا تلفات کمی در تخریب است. و اگر هواپیما یا موشک باشد؟
آزمایش های آزمایشگاهی و میدانی به هزینه و زمان زیاد مواد نیاز دارد اما با این وجود اهمیت آنها بسیار زیاد است.
قبلا گفته شده است که در مرحله اول ، هنگام تجزیه و تحلیل شی اصلی ، اشیا objects ابتدایی شناسایی می شوند که در روند مدل سازی باید آزمایش های مختلفی انجام شود. اگر به مثال با هواپیما برگردیم ، همانطور که می گویند ، برای آزمایش با گره ها و سیستم ها ، همه ابزارها خوب هستند. برای بررسی ساده سازی بدنه ، از یک تونل باد و مدلهای بال و بدنه در مقیاس کامل استفاده شده است ، مدلهای مختلف شبیه سازی برای آزمایش منبع تغذیه اضطراری و سیستم های ایمنی در برابر آتش امکان پذیر است ، و یک پایه مخصوص برای آزمایش اگزوز دنده فرود ضروری است سیستم.
با توسعه فناوری رایانه ، یک روش تحقیقاتی منحصر به فرد جدید - یک آزمایش رایانه ای - ظاهر شد. برای کمک ، و گاهی جایگزینی نمونه های آزمایشی و نیمکت های آزمایشی ، در بسیاری از موارد ، مطالعات رایانه ای مدل ها صورت گرفت. مرحله آزمایش رایانه ای شامل دو مرحله است: ترسیم طرح مدل سازی و فناوری مدل سازی.
طرح شبیه سازیباید توالی کار با مدل را به وضوح منعکس کند.
غالباً ، این طرح به عنوان دنباله ای از پاراگرافهای شماره گذاری شده توصیف می شود که باید توسط محقق با مدل رایانه انجام شود. در اینجا نیازی به تعیین ابزارهای نرم افزاری نیست. طرح تفصیلی نوعی بازتاب استراتژی آزمایش رایانه است.
اولین قدم در این طرح همیشه طراحی تست و سپس تست مدل است.
آزمایش فرآیند بررسی صحت یک مدل است.
آزمون مجموعه ای از داده های اولیه است که نتیجه آن از قبل مشخص است.
برای اطمینان از صحت نتایج شبیه سازی بدست آمده ، لازم است ابتدا آزمایش رایانه ای بر روی مدل را برای آزمون تدوین شده انجام دهید. با انجام این کار ، باید موارد زیر را بخاطر بسپارید:
اولاً ، این آزمون باید همیشه بر بررسی الگوریتم توسعه یافته برای عملکرد مدل رایانه متمرکز باشد. این آزمون محتوای معنایی آن را منعکس نمی کند. با این حال ، نتایج بدست آمده در فرآیند تست ممکن است ایده تغییر مدل اطلاعاتی یا نشانه ای اولیه را در شما ایجاد کند ، جایی که اول از همه ، محتوای معنایی بیانیه مسئله بیان شده است.
ثانیا ، داده های اولیه در آزمون ممکن است به هیچ وجه منعکس کننده وضعیت واقعی نباشد. این می تواند هر مجموعه ای از اعداد یا علامت های ساده باشد. مهم این است که شما می توانید از قبل نتیجه مورد انتظار برای یک نسخه خاص از داده های اولیه را بدانید. به عنوان مثال ، این مدل در قالب روابط پیچیده ریاضی ارائه شده است. ما باید آن را آزمایش کنیم. شما چندین گزینه را برای ساده ترین مقادیر داده های اولیه انتخاب می کنید و پاسخ نهایی را از قبل محاسبه می کنید ، یعنی نتیجه مورد انتظار را می دانید. در مرحله بعدی ، شما یک آزمایش رایانه ای با این داده های اولیه انجام می دهید و نتیجه را با آنچه انتظار می رود مقایسه می کنید. آنها باید مطابقت داشته باشند. اگر با هم مطابقت ندارند ، باید علت را جستجو کرده و از بین ببرید.
پس از آزمایش ، وقتی به عملکرد صحیح مدل اطمینان داشتید ، مستقیماً به سراغ آن می روید فناوری مدل سازی.
فناوری مدلسازی مجموعه ای از اقدامات کاربر هدفمند بر روی یک مدل رایانه ای است.
هر آزمایش باید با درک نتایج همراه باشد ، که پایه ای برای تجزیه و تحلیل نتایج شبیه سازی خواهد بود.
L. V. Pigalitsyn ،
، www.levpi.narod.ru ، مدرسه متوسطه شماره 2 MOU ، Dzerzhinsk ، منطقه نیژنی نووگورود.
آزمایش فیزیک کامپیوتر
4. آزمایش رایانه ای محاسباتی
آزمایش محاسباتی تبدیل می شود
به یک حوزه علمی مستقل تبدیل شود.
R. G. Efremov ، دکترای علوم فیزیکی و ریاضیات
آزمایش رایانه ای رایانه ای از بسیاری جهات شبیه آزمایش معمول (در مقیاس کامل) است. این شامل برنامه ریزی آزمایش ها ، ایجاد یک تنظیم آزمایشی ، انجام آزمایش های کنترل ، انجام یک سری آزمایش ها ، پردازش داده های آزمایشی ، تفسیر آنها و غیره است. با این حال ، این کار نه از طریق یک شی real واقعی بلکه از طریق مدل ریاضی آن انجام می شود ؛ نقش یک تنظیم آزمایشی توسط یک کامپیوتر مجهز به یک برنامه خاص بازی می شود.
آزمایش محاسباتی محبوبیت بیشتری پیدا می کند. آنها در بسیاری از موسسات و دانشگاه ها مشغول به کار هستند ، به عنوان مثال در دانشگاه دولتی مسکو. MV Lomonosov ، دانشگاه دولتی آموزشی مسکو ، انستیتوی سیتولوژی و ژنتیک SB RAS ، انستیتوی زیست شناسی مولکولی آکادمی علوم روسیه و غیره. دانشمندان می توانند بدون آزمایش واقعی "مرطوب" نتایج مهم علمی را بدست آورند. برای این ، نه تنها قدرت کامپیوتر ، بلکه الگوریتم های لازم و مهمتر از همه - درک وجود دارد. اگر قبلاً به اشتراک می گذاشتند - in vivo ، in vitro، - اکنون بیشتر در سیلیس... در حقیقت ، یک آزمایش محاسباتی در حال تبدیل شدن به یک زمینه مستقل از علم است.
مزایای چنین آزمایشی واضح است. به طور معمول ، ارزان تر از طبیعی است. می توان به راحتی و با خیال راحت با آن تداخل کرد. در هر زمان تکرار و قطع می شود. در طول این آزمایش می توانید شرایطی را که نمی توانند در آزمایشگاه ایجاد شوند شبیه سازی کنید. با این حال ، لازم به یادآوری است که یک آزمایش محاسباتی نمی تواند به طور کامل جایگزین یک آزمایش طبیعی شود و آینده با ترکیب معقول آنها است. یک آزمایش کامپیوتری محاسباتی به عنوان پلی بین یک آزمایش در مقیاس کامل و مدل های نظری عمل می کند. نقطه شروع برای مدل سازی عددی ، توسعه یک مدل ایده آل از سیستم فیزیکی در نظر گرفته شده است.
بیایید چندین نمونه از آزمایش فیزیک محاسباتی را در نظر بگیریم.
ممان اینرسی.در "فیزیک باز" (2.6 ، قسمت 1) یک آزمایش محاسباتی جالب برای یافتن لحظه اینرسی وجود دارد بدن جامدبا استفاده از مثال سیستمی متشکل از چهار توپی که روی یک سوزن قرار دارند. می توانید موقعیت این توپ ها را روی بلندگو تغییر دهید و همچنین موقعیت محور چرخش را انتخاب کنید ، آن را هم از مرکز سخنرانی عبور دهید و هم از انتهای آن. برای هر موقعیت توپ ، دانش آموزان از قضیه اشتاینر در انتقال موازی محور چرخش برای محاسبه مقدار گشتاور اینرسی استفاده می کنند. داده های محاسبات توسط معلم ارائه می شود. پس از محاسبه لحظه اینرسی ، داده ها وارد برنامه می شوند و نتایج بدست آمده توسط دانشجویان بررسی می شود.
"جعبه سیاه".برای اجرای آزمایش محاسباتی ، من و دانشجویانم چندین برنامه برای مطالعه محتوای "جعبه سیاه" الکتریکی ایجاد کردیم. این می تواند حاوی مقاومت ، لامپ های رشته ای ، دیودها ، خازن ها ، سیم پیچ ها و غیره باشد.
به نظر می رسد که در برخی موارد ، بدون باز کردن "جعبه سیاه" ، می توان با اتصال دستگاه های مختلف به ورودی و خروجی ، به محتوای آن پی برد. البته ، در سطح مدرسه ، این کار را می توان برای یک شبکه سه یا چهار پورت ساده انجام داد. چنین وظایفی تخیل ، تفکر فضایی و خلاقیت دانش آموزان را توسعه می دهد ، نیازی به ذکر نیست که نیاز به دانش عمیق و پایدار برای حل آنها دارد. بنابراین ، تصادفی نیست که در بسیاری از المپیادهای اتحادیه و بین المللی در فیزیک ، مطالعه "جعبه های سیاه" در مکانیک ، گرما ، برق و اپتیک به عنوان مشکلات تجربی مطرح شده است.
در کلاس های دوره های ویژه ، وقتی در "جعبه سیاه" هستم ، سه کار آزمایشگاهی واقعی انجام می دهم:
- فقط مقاومت ها ؛
- مقاومت ، لامپ های رشته ای و دیودها ؛
- مقاومت ها ، خازن ها ، سیم پیچ ها ، ترانسفورماتورها و مدارهای نوسانی.
از نظر ساختاری ، "جعبه های سیاه" در جعبه های کبریت خالی چیده شده اند. داخل جعبه یک مدار الکتریکی وجود دارد و جعبه خود با نوار مهر و موم شده است. تحقیقات با استفاده از ابزار - فشار سنج ، ژنراتور ، اسیلوسکوپ و غیره انجام می شود. برای این لازم است که ویژگی I - V و ویژگی فرکانس ساخته شود. دانش آموزان قرائت ابزار را در رایانه وارد می کنند ، که نتایج را پردازش می کند و ویژگی I - V و AFC را می سازد. این به دانش آموزان اجازه می دهد دریابند که چه قسمتهایی در "جعبه سیاه" وجود دارد و پارامترهای آنها را تعیین می کنند.
هنگام انجام کارهای آزمایشگاهی پیشانی با "جعبه های سیاه" ، مشکلات به دلیل کمبود ابزار و تجهیزات آزمایشگاهی بوجود می آیند. در واقع ، برای انجام تحقیقات لازم است ، مثلاً ، 15 اسیلوسکوپ ، 15 مولد صدا و غیره وجود داشته باشد. 15 مجموعه تجهیزات گران قیمت که اکثر مدارس ندارند. و این جایی است که "جعبه های سیاه" مجازی - برنامه های رایانه ای مربوطه - نجات می یابند.
مزیت این برنامه ها این است که تحقیقات به طور همزمان توسط کل کلاس انجام می شود. به عنوان مثال ، برنامه ای را در نظر بگیرید که "جعبه های سیاه" حاوی فقط مقاومت با استفاده از یک مولد اعداد تصادفی را پیاده سازی می کند. یک جعبه سیاه در سمت چپ دسک تاپ وجود دارد. این یک مدار الکتریکی دارد که فقط از مقاومتهایی تشکیل شده است که می تواند بین نقاط قرار گیرد A ، B ، Cو د.
دانش آموز سه دستگاه در اختیار دارد: منبع تغذیه (مقاومت داخلی آن برای ساده سازی محاسبات برابر با صفر است و EMF به طور تصادفی توسط برنامه تولید می شود). ولت متر (مقاومت داخلی برابر با بی نهایت است) ؛ آمپرمتر (مقاومت داخلی صفر است).
هنگامی که برنامه را در داخل "جعبه سیاه" شروع می کنید ، یک مدار الکتریکی به طور تصادفی تولید می شود که از 1 تا 4 مقاومت دارد. دانش آموز می تواند چهار تلاش کند. پس از فشردن هر کلید ، به او پیشنهاد می شود که هر یک از دستگاه های ارائه شده را در هر ترتیب به پایانه های "جعبه سیاه" متصل کند. به عنوان مثال ، او به ترمینال ها متصل شد ABمنبع فعلی با EMF = 3 V (مقدار EMF به طور تصادفی توسط برنامه تولید می شود ، در این موردمعلوم شد 3 ب) به پایانه ها سی دیمن یک ولت متر را متصل کردم ، و خوانش آن 2.5 ولت بود. از این مرحله ، باید نتیجه گرفت که حداقل یک تقسیم کننده ولتاژ در "جعبه سیاه" وجود دارد. برای ادامه آزمایش ، به جای ولت متر ، می توانید یک آمپرمتر را متصل کرده و قرائت کنید. این داده ها به وضوح برای حل رمز و راز کافی نیستند. بنابراین ، دو آزمایش دیگر می تواند انجام شود: منبع فعلی به ترمینال ها متصل است سی دی، و ولت متر و آمپرمتر - به ترمینال ها AB... داده های بدست آمده در این مورد از قبل کاملاً کافی برای گشودن محتوای "جعبه سیاه" خواهد بود. دانش آموز یک نمودار را روی کاغذ می کشد ، پارامترهای مقاومت ها را محاسبه می کند و نتایج را به معلم نشان می دهد.
معلم پس از بررسی کار ، کد مناسب را در برنامه وارد می کند و مدار داخل این "جعبه سیاه" و پارامترهای مقاومت ها روی دسک تاپ ظاهر می شوند.
این برنامه توسط دانشجویان من به زبان BASIC نوشته شده است. برای اجرای آن ویندوز XPیا در ویندوز ویستامی توانید از برنامه شبیه ساز استفاده کنید DOS، به عنوان مثال، DosBox... می توانید آن را از وب سایت من www.physics-computer.by.ru بارگیری کنید.
اگر عناصر غیر خطی در داخل "جعبه سیاه" وجود داشته باشد (لامپ های رشته ای ، دیودها و غیره) ، علاوه بر اندازه گیری مستقیمشما باید CVC را بردارید. برای این منظور ، لازم است یک منبع جریان ، ولتاژ وجود داشته باشد که در خروجی های آن ولتاژ از 0 به یک مقدار مشخص تغییر یابد.
برای مطالعه القای ها و ظرفیت ها ، لازم است که پاسخ فرکانس را با استفاده از یک مولد صدای مجازی و اسیلوسکوپ حذف کنید.
انتخابگر سرعتبرنامه دیگری را از Open Physics (2.6 ، بخش 2) در نظر بگیرید ، که به ما امکان می دهد یک آزمایش محاسباتی را با یک انتخابگر سرعت در یک طیف سنج جرمی انجام دهیم. برای تعیین جرم یک ذره با استفاده از طیف سنج جرمی ، انجام یک انتخاب اولیه از ذرات باردار از نظر سرعت لازم است. این هدف به اصطلاح ارائه می شود انتخابگرهای سرعت
در ساده ترین انتخابگر سرعت ، ذرات باردار در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی متقاطع حرکت می کنند. یک میدان الکتریکی بین صفحات یک خازن تخت ایجاد می شود ، یک میدان مغناطیسی در شکاف یک آهنربای الکتریکی ایجاد می شود. سرعت شروع υ ذرات باردار عمود بر بردارها هدایت می شوند E و که در .
دو نیرو بر روی یک ذره باردار عمل می کنند: نیروی الکتریکی س E و نیروی مغناطیسی لورنتس س υ × ب ... تحت شرایط خاص ، این نیروها می توانند دقیقاً یکدیگر را متعادل کنند. در این حالت ذره باردار بصورت یکنواخت و مستقیم حرکت می کند. پس از عبور از طریق خازن ، ذره از سوراخ کوچکی روی صفحه عبور می کند.
شرایط یک مسیر مستقیم یک ذره به بار و جرم ذره بستگی ندارد ، بلکه فقط به سرعت آن بستگی دارد: qE = qυB→υ = E / B.
در یک مدل رایانه ای می توانید مقادیر قدرت میدان الکتریکی E ، القای مغناطیسی را تغییر دهید بو سرعت اولیه ذرات υ ... آزمایش های انتخاب سرعت را می توان روی الکترون ، پروتون ، ذره آلفا و اتم های اورانیوم 235 و اورانیوم 238 کاملا یونیزه انجام داد. یک آزمایش محاسباتی در این مدل رایانه ای به شرح زیر انجام می شود: دانش آموزان در مورد اینکه کدام ذره باردار وارد انتخابگر سرعت ، قدرت میدان الکتریکی و سرعت اولیه ذره می شود ، مطلع می شوند. دانش آموزان با استفاده از فرمول های فوق القای مغناطیسی را محاسبه می کنند. پس از آن ، داده ها وارد برنامه می شوند و پرواز ذرات مشاهده می شود. اگر ذره به طور افقی درون انتخابگر سرعت پرواز کند ، پس محاسبات به درستی انجام می شود.
آزمایشات محاسباتی پیچیده تری را می توان با استفاده از بسته رایگان انجام داد "چشم انداز مدل برای پنجره ها".بسته بندی ModelVisionStudium (MVS)یک پوسته گرافیکی یکپارچه برای ایجاد سریع مدلهای بصری تعاملی سیستمهای دینامیکی پیچیده و انجام آزمایشات محاسباتی با آنهاست. این بسته توسط گروه تحقیقاتی "فناوری های شیject آزمایشی" در گروه "شبکه های رایانه ای و رایانه ای توزیع شده" دانشکده سایبرنتیک فنی دانشگاه فنی دولتی سن پترزبورگ تهیه شده است. نسخه رایگان بسته رایگان توزیع مجدد MVS 3.0 در وب سایت www.exponenta.ru در دسترس است. فناوری شبیه سازی محیط MVSبر اساس مفهوم نیمکت آزمایشگاه مجازی است. کاربر روی پایه قرار می گیرد ، بلوک های مجازی سیستم شبیه سازی شده را قرار می دهد. بلوک های مجازی برای مدل یا از کتابخانه انتخاب می شوند ، یا دوباره توسط کاربر ایجاد می شوند. بسته بندی MVSبرای اتوماسیون مراحل اصلی یک آزمایش محاسباتی طراحی شده است: ساختمان مدل ریاضیشی under مورد مطالعه ، تولید پیاده سازی نرم افزار مدل ، مطالعه خصوصیات مدل و ارائه نتایج در فرم مناسب برای تجزیه و تحلیل. جسم مورد بررسی می تواند در رده سیستم های پیوسته ، گسسته یا ترکیبی قرار گیرد. این بسته برای مطالعه سیستم های پیچیده فیزیکی و فنی مناسب است.
به عنوان مثالیک مشکل نسبتاً محبوب را در نظر بگیرید. بگذار نقطه مادیدر یک زاویه نسبت به صفحه افقی پرتاب می شود و کاملاً الاستیک با این صفحه برخورد می کند. این مدل در مجموعه آزمایشی بسته های شبیه سازی نمونه تقریباً اجباری شده است. در واقع ، این یک سیستم ترکیبی معمولی با رفتار مداوم (پرواز در یک میدان گرانشی) و حوادث گسسته است (برگشت). این مثال همچنین رویکرد شی گرا در مدل سازی را نشان می دهد: توپی که در اتمسفر پرواز می کند از فرزندان توپی است که در فضای بدون هوا پرواز می کند و به طور خودکار تمام ویژگی های مشترک را به ارث می برد ، در حالی که ویژگی های خاص خود را نیز به آن اضافه می کند.
آخرین ، آخرین مرحله ، از دیدگاه کاربر ، مرحله مدل سازی مرحله توصیف شکل ارائه نتایج یک آزمایش محاسباتی است. اینها می توانند جداول ، نمودارها ، سطحها و حتی انیمیشن هایی باشند که نتایج را در زمان واقعی نشان می دهند. بنابراین ، کاربر واقعاً پویایی سیستم را مشاهده می کند. نقاط در فضای فاز می توانند حرکت کنند ، عناصر ساختاری توسط کاربر ترسیم می شوند ، رنگ ها می توانند تغییر کنند و کاربر می تواند روی صفحه نمایش دنبال کند ، به عنوان مثال فرآیندهای گرمایش یا سرمایش در بسته های نرم افزاری ایجاد شده برای پیاده سازی مدل ، می توان پنجره های خاصی فراهم کرد که به شما امکان می دهد در طی یک آزمایش محاسباتی ، مقادیر پارامترها را تغییر داده و بلافاصله عواقب تغییرات را مشاهده کنید.
کارهای زیادی در زمینه مدل سازی بصری فرایندهای فیزیکی در MVSدر دانشگاه آموزشی دولتی مسکو برگزار شد. تعدادی از کارهای مجازی برای دوره در آنجا توسعه یافته است. فیزیک عمومی، که می تواند با نصب های آزمایشی واقعی همراه باشد ، که به شما امکان می دهد همزمان تغییر در پارامترهای یک فرایند فیزیکی واقعی و پارامترهای مدل آن را بر روی صفحه نمایش در زمان واقعی مشاهده کنید ، به خوبی کفایت آن را نشان می دهد. به عنوان نمونه ، من هفت کار آزمایشگاهی در زمینه مکانیک را از کارگاه آزمایشگاهی پورتال اینترنتی ذکر کردم آموزش بازمربوط به استانداردهای آموزشی دولتی موجود در تخصص "معلم فیزیک": تحصیل حرکت مستقیمبا استفاده از دستگاه اتوود ؛ اندازه گیری سرعت گلوله؛ اضافه کردن ارتعاشات هارمونیک؛ اندازه گیری لحظه اینرسی چرخ دوچرخه مطالعه حرکت چرخشیبدن جامد تعیین شتاب جاذبه با استفاده از آونگ فیزیکی ؛ مطالعه ارتعاشات آزاد آونگ فیزیکی.
شش مورد اول بصورت مجازی و شبیه سازی شده در رایانه شخصی در ModelVisionStudium رایگان، و نسخه دوم هم یک نسخه مجازی دارد و هم دو نسخه واقعی. در یکی ، که برای یادگیری از راه دور در نظر گرفته شده است ، دانش آموز باید از یک گیره بزرگ کاغذی و یک پاک کن آونگ درست کند و با آویزان کردن آن در زیر شاخه ماوس کامپیوتر بدون توپ ، یک آونگ بدست آورد که زاویه انحراف آن خوانده شود توسط یک برنامه خاص و باید توسط دانش آموز هنگام پردازش نتایج آزمایش استفاده شود. این روش اجازه می دهد تا برخی از مهارتهای مورد نیاز برای کارهای تجربی فقط در رایانه شخصی و سایر موارد - هنگام کار با دستگاههای واقعی موجود و دسترسی از راه دور به تجهیزات ، مورد استفاده قرار گیرند. در نسخه دیگر ، طراحی شده برای آماده سازی خانه دانشجویان تمام وقتبه اجرا کار آزمایشگاهیدر کارگاه گروه فیزیک عمومی و تجربی دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی تعلیم و تربیت مسکو ، دانشجو مهارت های کار با آزمایش آزمایشی بر روی یک مدل مجازی را تمرین می کند ، و در آزمایشگاه او یک آزمایش را به طور همزمان بر روی یک خاص انجام می دهد نصب واقعی و با مدل مجازی آن. در عین حال ، او از هر دو ابزار اندازه گیری سنتی به صورت مقیاس نوری و کرونومتر و ابزار دقیق تر و سریعتر استفاده می کند - یک سنسور حرکت مبتنی بر یک ماوس نوری و یک تایمر رایانه. مقایسه همزمان هر سه نمایش (سنتی ، تصفیه شده با کمک سنسورهای الکترونیکی متصل به کامپیوتر و مدل) از همین پدیده به ما امکان می دهد در مورد محدودیت کفایت مدل نتیجه بگیریم ، وقتی داده های شبیه سازی رایانه پس از مدتی شروع به با خواندن ها بیشتر و بیشتر متفاوت است. در یک نصب واقعی فیلمبرداری شده است.
موارد فوق امکان استفاده از رایانه در یک آزمایش محاسباتی فیزیکی را خسته نمی کند. بنابراین برای یک معلم خلاق و شاگردانش همیشه فرصت های استفاده نشده در زمینه آزمایش های جسمی واقعی و واقعی وجود دارد.
اگر در مورد شما نظر و پیشنهادی دارید انواع متفاوتآزمایش کامپیوتر فیزیکی ، برای من بنویسید در:
در تعریف فوق ، اصطلاح "آزمایش" معنایی دوگانه دارد. از یک طرف ، در یک آزمایش رایانه ای ، و همچنین در یک آزمایش واقعی ، پاسخ های سیستم به برخی تغییرات خاص در پارامترها یا تأثیرات خارجی بررسی می شود. دما ، چگالی ، ترکیب اغلب به عنوان پارامتر استفاده می شود. و این تأثیرات اغلب از طریق میدان های مکانیکی ، الکتریکی یا مغناطیسی تحقق می یابد. تنها تفاوت این است که آزمایشگر با یک سیستم واقعی سروکار دارد ، در حالی که در یک آزمایش رایانه ای ، رفتار یک مدل ریاضی در نظر گرفته می شود شی واقعی... از طرف دیگر ، امکان دستیابی به نتایج دقیق برای مدلهای کاملاً مشخص امکان استفاده از آزمایش رایانه به عنوان منبع مستقل اطلاعات برای آزمایش پیش بینی های نظریه های تحلیلی را فراهم می کند و بنابراین ، در این ظرفیت ، نتایج شبیه سازی نقش استاندارد مشابه داده های تجربی.
از تمام آنچه گفته شد ، روشن است که امکان راه اندازی یک آزمایش رایانه ای برای دو روش بسیار متفاوت وجود دارد ، که این به دلیل ماهیت مسئله حل شده است و در نتیجه انتخاب شرح مدل تعیین می شود.
اولاً ، محاسبات با استفاده از روش های MD یا MC می تواند اهداف صرفاً سودمندانه ای را در پی داشته باشد که با پیش بینی خصوصیات یک سیستم واقعی خاص و مقایسه آنها با یک آزمایش فیزیکی همراه است. در این حالت ، می توانید پیش بینی های جالبی انجام دهید و تحقیق کنید در شرایط شدید ، به عنوان مثال ، در فشارهای فوق العاده بالا یا دما ، زمانی که یک آزمایش واقعی به دلایل مختلف امکان پذیر نیست یا به هزینه های مادی زیادی نیاز دارد. شبیه سازی رایانه ای اغلب تنها راه به دست آوردن دقیق ترین ("میکروسکوپی") اطلاعات در مورد رفتار یک سیستم مولکولی پیچیده است. این به ویژه توسط آزمایشات عددی از یک نوع پویا با سیستم های مختلف زیستی به وضوح نشان داده شده است: پروتئین های کروی در حالت بومی ، قطعات DNA و RNA. , غشاهای چربی. در تعدادی از موارد ، داده های بدست آمده تجدیدنظر یا تغییر قابل توجه ایده های قبلی موجود در مورد ساختار و عملکرد این اشیا made را ضروری می کند. باید در نظر داشت که از آنجا که در چنین محاسباتی از انواع پتانسیلهای مختلف ظرفیت و غیر ظرفیتی استفاده می شود ، که فقط برهم کنشهای واقعی اتمها را تقریبی می کنند ، این شرایط در نهایت میزان مطابقت بین مدل و واقعیت را تعیین می کند. در ابتدا ، هنگامی که پتانسیل ها با توجه به داده های تجربی موجود کالیبره می شوند ، حل مسئله معکوس انجام می شود و فقط در این صورت از این پتانسیل ها برای بدست آوردن اطلاعات دقیق تر در مورد سیستم استفاده می شود. گاهی اوقات ، اصولاً می توان پارامترهای فعل و انفعالات بین اتمی را از محاسبات شیمیایی کوانتومی که برای ترکیبات مدل ساده تر انجام شده ، یافت. هنگام شبیه سازی با روش های MD یا MC ، یک مولکول نه به عنوان مجموعه ای از الکترون ها و هسته ها که از قوانین مکانیک کوانتوم اطاعت می کنند ، بلکه به عنوان یک سیستم از ذرات کلاسیک - اتم ها تفسیر می شود. این مدل نامیده می شود مدل مکانیکی یک مولکول .
هدف از رویکرد دیگر برای راه اندازی یک آزمایش رایانه ای ممکن است درک الگوهای کلی (جهانی یا مدل-تغییر ناپذیر) رفتار سیستم مورد مطالعه باشد ، یعنی آن الگوهایی که فقط با معمولی ترین ویژگی های یک داده تعیین می شوند کلاس اشیا ، اما نه با جزئیات. ساختار شیمیایییک ترکیب واحد. یعنی در این حالت ، یک آزمایش رایانه ای با هدف ایجاد روابط عملکردی و محاسبه نکردن پارامترهای عددی انجام می شود. این ایدئولوژی به وضوح در نظریه مقیاس گذاری پلیمرها وجود دارد. از نظر این رویکرد ، مدل سازی رایانه ای به عنوان ابزاری نظری عمل می کند ، که اول از همه ، به شما امکان می دهد نتیجه گیری از روش های تحلیلی موجود نظریه را بررسی کنید یا پیش بینی های آنها را تکمیل کنید. این تعامل بین نظریه تحلیلی و آزمایش رایانه ای زمانی می تواند بسیار مثمر ثمر باشد که بتوان از مدلهای یکسان در هر دو رویکرد استفاده کرد. بارزترین نمونه از این نوع مدلهای عمومی مولکولهای پلیمر به اصطلاح است مدل مشبک . بر اساس آن ، بسیاری از ساخت های نظری ، به ویژه مربوط به حل کلاسیک و به تعبیری ، مسئله اصلی فیزیکوشیمی پلیمرها در تأثیر فعل و انفعالات فله بر ساختار و بر این اساس ، در مورد خواص یک زنجیره پلیمری انعطاف پذیر - سایپرز ، باشگاه دانش فعل و انفعالات فله ای معمولاً به معنای نیروهای دافعه کوتاه برد است که وقتی در فضا به دلیل خم شدن تصادفی ماکرومولک به یکدیگر نزدیک می شوند ، بین پیوندهای دور زنجیره بوجود می آیند. در مدل شبکه ، یک زنجیره واقعی به عنوان یک مسیر شکسته در نظر گرفته می شود که از گره های یک شبکه منظم از یک نوع معین عبور می کند: مکعب ، چهار وجهی ، و غیره. گره های شبکه اشغال شده مربوط به پیوندهای پلیمر (مونومرها) و بخشهای متصل هستند آنها - پیوندهای شیمیاییدر اسکلت ماکرومولکول. ممنوعیت تقاطع های خود مسیر (یا به عبارت دیگر ، عدم امکان ورود همزمان دو یا چند مونومر به یک سایت شبکه) تعاملات عمده را شبیه سازی می کند (شکل 1). یعنی اگر به عنوان مثال ، اگر از روش MC استفاده شده و وقتی پیوندی که به طور تصادفی انتخاب شده است جابجا می شود ، در یک گره قبلاً اشغال شده قرار می گیرد ، بنابراین چنین ترکیب جدیدی کنار گذاشته می شود و دیگر در محاسبه پارامترها مورد توجه قرار نمی گیرد از سیستم مورد علاقه آرایش های مختلف زنجیره ای روی شبکه مربوط به ترکیبات زنجیره پلیمری است. خصوصیات مورد نیاز به طور متوسط بیش از آنها است ، به عنوان مثال ، فاصله بین انتهای زنجیره R.
مطالعه چنین مدلی درک این مسئله را فراهم می کند که چگونه فعل و انفعالات حجمی بر وابستگی مقدار rms تأثیر می گذارد
اصلاحات مختلفی در مدلهای شبکه وجود دارد ، به عنوان مثال ، مواردی که طول پیوند بین پیوندها مقادیر ثابت ندارند ، اما قادر به تغییر در یک بازه خاص هستند ، که فقط ممنوعیت تقاطع های خود زنجیره را تضمین می کند ، این چگونه مدل گسترده با "اوراق قرضه نوسان" کار می کند. با این حال ، همه مدل های مشبک مشترک هستند که هستند گسسته،یعنی تعداد تغییر شکل های ممکن چنین سیستمی همیشه محدود است (اگرچه حتی با تعداد نسبتاً کمی پیوند در زنجیره نیز می تواند نجومی باشد). همه مدل های گسسته دارای بازده محاسباتی بسیار بالایی هستند ، اما به طور معمول ، فقط با روش مونت کارلو قابل بررسی هستند.
برای تعدادی از موارد ، استفاده می شود مستمر مدل های پلیمری تعمیم یافته که توانایی تغییر ساختار به صورت مداوم را دارند. ساده ترین مثال زنجیره ای است که از یک عدد معین تشکیل شده است Nتوپهای جامدی که به صورت پیوندهای صلب یا الاستیک به هم متصل شده اند. چنین سیستم هایی را می توان هم با روش مونت کارلو و هم با روش دینامیک مولکولی مطالعه کرد.
