Разработка демонстрационных программ для применения в процессе преподавания физики

 ш2.0

- 1 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ст.

1. Введение.................................................3

а) Актуальность темы дипломной работы...................3

б) Цели работы..........................................4

в) Научная новизна результатов дипломной работы.........4

г) Научная и практическая ценность......................5

д) Вклад автора.........................................5

е) Реализация...........................................5

ж) Апробация и публикации...............................6

з) Краткое содержание и структура......................6

Глава 1. Физические основы исследуемых процессов............8

_ 1.1 Электрический колебательный контур................8

_ 1.2 Опыт Милликена...................................11

_ 1.3 Скин-эффект в цилиндрической геометрии...........16

_ 1.4 Скин-эффект в плоской геометрии..................26

Глава 2. Математические методы исследования физических

процессов........................................31

_ 2.1 Типы задач для обыкновенных дифференциальных

уравнений........................................31

_ 2.2 Задача Коши.(Метод Рунге-Кутты 2-го порядка).....34

_ 2.3 Метод Рунге-Кутты 4 порядка......................37

_ 2.4 Краткие сведения о функциях Бесселя..............42

_ 2.5 Краткие сведения о функциях Кельвина.............46

- 2 -

Глава 3. Использование ЭВМ в учебном процессе..............48

_ 3.1 Роль ЭВМ в обучении физики.......................48

_ 3.2 Методы использования ЭВМ в обучении..............51

_ 3.3 Моделирование физических процессов на ЭВМ........53

_ 3.4 Краткое описание программ........................55

Заключение.................................................56

Приложения.................................................57

Литература.................................................66

 ш2.0

- 3 -

 2Введение

 _ 1Актуальность темы дипломной работы

Дипломная работа посвящена разработке демонстрационных прог-

рамм для применения в процессе преподавания физики как в школах и

среднеспециальных учебных заведениях, так и в высших учебных за-

ведениях.

Насыщенность школ современной вычислительной техникой еще не

приводит к большим переменам в образовании, если учитель не под-

готовлен ни психологически, ни профессионально к внедрению ЭВМ в

его жизнь.

В настоящее время накоплен большой опыт применения вычисли-

тельной техники в физических исследованиях, выработаны общие ме-

тодические подходы решения основных физических проблем и можно

констатировать факт, что сложился новый предмет - вычислительная

физика, которая составной частью современной физики наряду с об-

щей физикой и теоретической физикой и входит в стандарт образова-

ния по физики.

Основным методом исследования вычислительной физики является

компьютерный эксперимент, теоретической базой которого служит ма-

тематическое моделирование, а экспериментальной базой - ЭВМ.

Компьютерное моделирование интегрирует такие предметы, как

теоретическая физика, численный анализ и программирование.

На сегодняшний день в процессе преподавания физики очень мно-

гие важные явления и опыты не могут быть реализованы в виде де-

монстраций в силу их сложности, а их объяснение требует от препо-

давателя больших "художественных возможностей". Именно поэтому

- 4 -

появилась тенденция создания компьютерных программ для моделиро-

вания подобных процессов [1-7]. Теперь преподаватель, заранее по-

добрав исходные данные, может по ходу объяснения демонстрировать

все возможные варианты развития процесса не затрачивая массу вре-

мени на приемлемое изображение установки, самого эксперимента,

сопутствующих графиков.

Кроме того, такие программы могут быть также 2  0 использованы в

лабораторном практикуме с дополнительными заданиями разного уров-

ня сложности, а в совокупности с прилагаемыми описаниями и для

самостоятельного изучения материала.

 _ 1Целями дипломной работы являлись

- исследование моделируемых процессов на предмет получения

конечных аналитических решений, пригодных для создания на их ос-

нове демонстрационных программ, а в случае их отсутствия построе-

ние алгоритмов решения на основе численных методов;

- создание демонстрационных программ на основе полученных ре-

шений;

- создания лабораторных работ на основе разработанных прог-

рамм и ряда разноуровневых заданий к ним;

- апробация созданных лабораторных работ  2  0на 2  0 физическом фа-

культете ТГПУ им. Л. Н. Толстого в курсе методики преподавания

физики;

 _ 1Научная новизна результатов дипломной работы

В работе впервые:

- Созданы демонстрационные программы для моделирования: про-

цессов в электрическом колебательном контуре, опыта Милликена,

- 5 -

скин-эффекта;

- Для скин-эффекта получено решение в виде комбинации функций

Кельвина;

- Показана роль фазового дополнительного слагаемого в решении

для скин-эффекта;

- Показано, что в электрическом колебательном контуре на гра-

фике зависимости энергии от времени существуют плато, соответс-

твующее нулевому току и проведена аналогия с механическими коле-

баниями;

 _ 1Научная и практическая ценность

В работе проведен теоретический анализ исследуемых процессов

и создан ряд моделирующих программ.

Как теоретические результаты, так и компьютерные программы

дипломной работы могут быть использованы в процессе преподавания

физики в различных учебных заведениях и при самостоятельном изу-

чении данного материала.

 _ 1Вклад автора

В работах, результаты которых выносятся на защиту и выполнен-

ных совместно с научным руководителем, автором внесен должный

вклад в постановку задач, выбор методов исследования, теоретичес-

кий анализ, выбор методов реализации и интерпретацию результатов.

 _ 1Реализация результатов работы

Полученные в результате теоретического анализа аналитические

решения были реализованы автором в виде демонстрационных программ

для машин класса IBM PC/AT и совместимых, работающих под управле-

- 6 -

нием:

- MS-DOC версии 5.0 и последующих;

- MS-WINDOWS версий 3.1 и 3.11 (RUS).

Программы реализованы с помощью компиляторов:

- Turbo Pascal 6.0;

- Turbo Pascal 7.0;

и при использовании графических пакетов:

- BGI (Borland International)

- Дизайнер.

Демонстрационные программы используются в курсе преподава-

ния физики на физическом факультете ТГПУ им. Л.Н.Толстого и могут

быть использованы в других учебных заведениях.

 _ 1Апробация и публикации . 0

Основные результаты докладывались опубликованы в тезисах док-

ладов 3 Всероссийского (с участием стран СНГ) совещания-семинара

"Применение средств вычислительной техники в учебном процессе", изд-во

УГТУ, Ульяновск 1995 г. [23]

Материалы работы докладывались и обсуждались также на студен-

ческих научных конференциях в ТГПУ [24].

 _ 1Краткое содержание и структура

Структура. Дипломная работа состоит из введения, трех глав,

приложения, заключения, содержит 55 страниц машинописного текста,