Разработка лекционной демонстрации "Изучение механизма формирования ударной волны" для курса "Молекулярная физика"

При движении тела со сверхзвуковой скоростью (>>1200км/ч) значительная часть его кинетической энергии расходуется на возбуждение ударных и звуковых волн. Этот процесс сопровождается возникновением дополнительного сопротивления воздуха движению тела, называемого волновым сопротивлением. При сверхзвуковых скоростях сопротивлен

ие, связанное с вязкостью газа, имеет значительно меньшее значение, чем волновое сопротивление.

Основной вклад в общее сопротивление вносит волновое сопротивление и в области предзвуковых скоростей. Так, при увеличении скорости самолета с 300 до 600 км/ч сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза (пропорционально квадрату скорости), а при повышении скорости от 600 до 1200 км/ч возрастает в 32 раза (пропорционально пятой степени скорости).

Для уменьшения волнового сопротивления сверхзвуковым самолетам придают веретенообразный фюзеляж с небольшими стреловидными крыльями, имеющими заостренную переднюю кромку.

Теоретическое обоснование создания лекционных демонстраций, используемых при обучении физики в вузе

В соответствии с прогнозами развития образовательной системы, можно ожидать, что система образования в XXI веке будет представлять собой стремительно модернизируемую структуру. В первую очередь, это будет связано с внедрением компьютерных и информационных технологий во все сферы учебного процесса. В настоящее время развиваются и активно внедряются в образование компьютерные формы обучения, такие как дистанционное, виртуальное обучение, основанные на сетевых технологиях, кейс-технологиях. Однако преобладающими формами обучения в классическом вузе до сих пор остаются традиционные формы, основанные на непосредственном взаимодействии преподавателя со студентами. Поэтому актуальным является разработка таких образовательных технологий, которые используют преимущества компьютерных форм обучения и вместе с тем способны модернизировать традиционные формы обучения с целью качественного повышения уровня учебного процесса в вузе.

Традиционными для классического вуза (при обучении физике) являются такие формы обучения, как лекция, семинар, лабораторная работа, а также самостоятельная работа студентов. На сегодня распределение учебного времени таково, что лишь 50% отводится на аудиторные занятия. Одновременно наблюдается тенденция вывода большей части учебного материала в самостоятельную работу студентов, что в ряде случаев негативно сказывается на системности и фундаментальности образования по физике в вузе.

Одним из путей решения данной проблемы является совершенствование процесса организации и проведения лекций в вузе на базе создания и применения инновационных образовательных технологий и соответствующих программных средств учебного назначения нового поколения. Такую возможность предоставляют, например, программные средства учебного назначения, базирующиеся на использовании видеопроектора, управляемого компьютером (демонстрация).

Известно, что демонстрации являются неотъемлемой, органической частью лекции. В методическом отношение демонстрации делают всякое явление более явным для слушателей, чем при словесном его описании, и содействует более легкому усвоению и запоминанию материала.

Традиционно для демонстраций используют разнообразные физические приборы и установки. С развитием компьютерной технике и мультимедийного обеспечения появилась реальная альтернатива – использование компьютеров для лекционных демонстраций.

Использование компьютеров предпочтительней (или является единственным) в следующих случаях:

Когда рассматриваемое физическое явление слишком скоротечно (например, возникновение ударной волны) или наоборот слишком долговременно (например, процесс роста кристалла) для непосредственной демонстраций на лекции.

Когда пространственные масштабы явления слишком малы или слишком большие для непосредственной демонстрации в лекционной аудитории.

Когда физическое явление не наблюдаемо в принципе (например, тунелирование микрочастицы).

Когда компьютерная демонстрация более выгодна в экономическом смысле, что особенно существенно при нынешнем положение финансирования высшей школы.

Из методов создания компьютерных демонстраций можно выделить два:

Моделирование физических процессов с помощью программирования.

Создание компьютерных видеоклипов с помощью сопряженной с компьютером видеокамеры.

При моделировании физических процессов с помощью программирования обычно используются традиционные языки программирования (Delphi, Visual Basic), при этом делается упор на мультипликационное представление физических явлений.

Разработка лекционной демонстрации «Изучение механизма формирования ударной волны»

Для создания лекционной демонстрации был выбран язык программирования Delphi7, потому, что в Delphi7 сделать первый шаг очень просто, она интуитивно понятна. Конечно, небольшому числу разработчиков по долгу службы нужны глубокие специфические знания, которые приходят со временем. А начинающим Delphi7 позволяет начать создавать программы сразу, не углубляясь в изучение внутренностей операционной системы, и даже собственной среды разработки. Поэтому программист может сразу сосредоточиться на логике работы будущей программы.

Delphi7- прекрасная система визуального объектно-ориентированного проектирования, одинаково радующая и новичков в программировании, и профессионалов. Начинающим Delphi7 позволяет сразу, с небольшими затратами времени и сил создавать прикладные программы, которые внешне неотличимы от программ, созданных профессионалами. А для опытного программиста Delphi7 открывает неограниченные возможности для создания сколь угодно сложных программ любого типа.

Для лекционной демонстрации была разработана программа, алгоритм которой можно увидеть в приложении А.

Разработанная программа проста в использовании, интерфейс программы содержит лишь 4 виртуальных кнопки (рисунок 3.3): начало, пуск, стоп и выход.

Рисунок 3.3 – Интерфейс программы

Виртуальные кнопки начало и пуск позволяют запустить программу, а стоп – для того, что бы было возможно остановить программу и прокомментировать прошедшие или непонятные моменты. Виртуальная кнопка выход предназначена для выхода из программы.

Данная лекционная демонстрация позволяет показать механизм возникновения ударной волны при движении со сверхзвуковыми скоростями. Лекционную демонстрацию можно разделить на 3 случая:

Когда (рисунок 3.4а)

Когда (рисунок 3.4б)

Когда (рисунок 3.4в)

а

б