Počítačové modelování - základ pro reprezentaci znalostí v počítačích. Počítačové modelování pro zrod nových informací využívá jakékoli informace, které lze aktualizovat pomocí počítače. Pokrok v modelování je spojen s vývojem systémů počítačového modelování a pokrok v informačních technologiích je s aktualizací zkušeností s modelováním na počítači, s vytvářením bank modelů, metod a softwarových systémů, které umožňují sběr nových modelů z bank. modely.

Druh počítačové simulace je výpočtový experiment, tedy experiment prováděný experimentátorem na studovaném systému nebo procesu za pomoci experimentálního nástroje - počítače, počítačového prostředí, technologie.

Výpočetní experiment se stává novým nástrojem, metodou vědeckého poznání, novou technologií, a to i díky rostoucí potřebě odklonu od studia lineárních matematických modelů systémů (pro které jsou výzkumné metody a teorie poměrně dobře známé či vyvinuté) ke studiu komplexních a nelineárních matematických modelů systémů (jejichž analýza je mnohem obtížnější). Zhruba řečeno, naše znalosti o okolním světě jsou lineární a procesy v okolním světě jsou nelineární.

Výpočetní experiment vám umožní najít nové vzorce, testovat hypotézy, vizualizovat průběh událostí atd.

S vývojem počítačová věda objevila se nová unikátní výzkumná metoda – počítačový experiment. Počítačový experiment zahrnuje určitou sekvenci práce s modelem, soubor účelových uživatelských akcí na počítačovém modelu.

Fáze 4. Analýza výsledků simulace.

Konečný cíl modelování – rozhodování, které by mělo být vypracováno na základě komplexní analýzy získaných výsledků. Tato fáze je rozhodující – buď ve studiu pokračujete, nebo ukončíte. Možná znáte očekávaný výsledek, pak musíte porovnat přijaté a očekávané výsledky. V případě shody se můžete rozhodnout.

Základem pro vývoj řešení jsou výsledky testování a experimentů. Pokud výsledky neodpovídají cílům úkolu, znamená to, že v předchozích fázích došlo k chybám. Může se jednat buď o příliš zjednodušenou konstrukci informačního modelu, nebo neúspěšnou volbu modelovací metody či prostředí nebo porušení technologických metod při sestavování modelu. Pokud se takové chyby najdou, pak úprava modelu , tedy návrat k jednomu z předchozích kroků. Proces opakuje dokud se výsledky experimentu nesplní cíle modelování. Hlavní věcí je zapamatovat si, že zjištěná chyba je také výsledkem. Jak říká přísloví, chybami se člověk učí.

Simulační programy

ANSYS- univerzální softwarový systém konečných prvků ( FEM) analýza, existující a vyvíjející se za posledních 30 let, je mezi odborníky v oblasti počítačového inženýrství poměrně populární ( CAE, Computer-Aided Engineering) a MKP řešení lineárních a nelineárních, stacionárních a nestacionárních prostorových problémů deformovatelné mechaniky pevné tělo a mechanika konstrukcí (včetně nestacionárních geometricky a fyzikálně nelineárních úloh kontaktní interakce konstrukčních prvků), problémy mechaniky tekutin a plynů, přestupu tepla a přestupu tepla, elektrodynamika, akustika a také mechanika vázaných polí. Modelování a analýzy v některých odvětvích se vyhýbají nákladným a zdlouhavým vývojovým cyklům, jako je „design – výroba – test“. Systém funguje na základě geometrického jádra Parasolid .

AnyLogic - software Pro simulační modelování komplexní systémy A procesy, vyvinutý ruština od XJ Technologies ( Angličtina XJ technologií). Program má uživatelské grafické prostředí a umožňuje používat jazyk Java pro vývoj modelu .

Modely AnyLogic mohou být založeny na kterémkoli z hlavních paradigmat simulačního modelování: simulace diskrétních událostí, dynamika systému, A modelování agentů.

Systémová dynamika a modelování diskrétních událostí (procesů), čímž rozumíme jakýkoli vývoj myšlenek GPSS jsou tradiční dobře zavedené přístupy, modelování založené na agentech je relativně nové. Systémová dynamika operuje především s procesy, které jsou spojité v čase, zatímco modelování na základě diskrétních událostí a agentů - s diskrétními.

Systémová dynamika a modelování diskrétních událostí byly historicky vyučovány zcela odlišným skupinám studentů: managementu, výrobním inženýrům a konstruktérům řídicích systémů. V důsledku toho vznikly tři různé téměř nepřekrývající se komunity, které spolu téměř nekomunikují.

Modelování založené na agentech bylo až donedávna přísně akademickou oblastí. Rostoucí poptávka po globální optimalizaci ze strany byznysu však donutila přední analytiky věnovat pozornost modelování založenému na agentech a jeho kombinaci s tradičními přístupy s cílem získat ucelenější obrázek o interakci složitých procesů různé povahy. Tak se zrodila poptávka po softwarových platformách, které umožňují integraci různých přístupů.

Nyní se podívejme na přístupy simulačního modelování na úrovni abstrakce. Systémová dynamika tím, že nahrazuje jednotlivé objekty jejich agregáty, předpokládá nejvyšší úroveň abstrakce. Simulace diskrétních událostí funguje v nízkém a středním rozsahu. Pokud jde o modelování založené na agentech, lze jej použít téměř na jakékoli úrovni a v jakémkoli měřítku. Agenti mohou zastupovat chodce, auta nebo roboty ve fyzickém prostoru, zákazníka nebo prodejce na střední úrovni nebo konkurenční společnosti na vysoké úrovni.

Při vývoji modelů v AnyLogic můžete použít koncepty a nástroje z několika metod modelování, například v modelu založeném na agentech, použít metody systémové dynamiky k reprezentaci změn stavu prostředí nebo v spojitém modelu dynamický systém, zohledňují diskrétní události. Například řízení dodavatelského řetězce pomocí simulačního modelování vyžaduje popis účastníků dodavatelského řetězce agenty: výrobci, prodejci, spotřebitelé, síť skladů. Zároveň je popsána výroba v rámci modelování diskrétních událostí (procesů), kde produkt nebo jeho části jsou aplikace a auta, vlaky, zakladače jsou zdroje. Samotné dodávky jsou reprezentovány diskrétními událostmi, ale poptávku po zboží lze popsat spojitým systémově dynamickým diagramem. Schopnost kombinovat přístupy vám umožňuje popsat procesy skutečného života a nepřizpůsobovat proces dostupnému matematickému aparátu.

LabVIEW (Angličtina Laboratoř oratoř PROTI virtuální já instrumentace E strojírenství W orkbench) je vývojové prostředí A plošina spouštět programy vytvořené v grafickém programovacím jazyce "G" společnosti Národní nástroje(USA). První verze LabVIEW byla vydána v roce 1986 pro Apple Macintosh, aktuálně existují verze pro UNIX, GNU/Linux, Operační Systém Mac atd. a nejrozvinutější a nejoblíbenější verze jsou pro Microsoft Windows.

LabVIEW se používá v systémech pro sběr a zpracování dat a také pro správu technických objektů a technologických procesů. Ideologicky je LabVIEW velmi blízko SCADA-systémy, ale na rozdíl od nich se více zaměřuje na řešení problémů ne tolik v oblasti APCS kolik v oblasti ASNI.

MATLAB(zkratka pro Angličtina « matice Laboratoř» ) je termín označující balík aplikovaných programů pro řešení problémů technických výpočtů a také programovací jazyk používaný v tomto balíku. MATLAB používá více než 1 000 000 inženýrů a vědců, funguje na nejmodernějších operační systémy, počítaje v to GNU/Linux, Operační Systém Mac, Solaris A Microsoft Windows .

javor- softwarový balík, systém počítačové algebry. Jedná se o produkt společnosti Waterloo Maple Inc., která 1984 vyrábí a prodává softwarové produkty zaměřené na komplexní matematické výpočty, vizualizaci dat a modelování.

Systém Maple je navržen tak, aby symbolické výpočty, i když má řadu nástrojů pro numerické řešení diferenciální rovnice a nalezení integrály. Má pokročilou grafiku. Má vlastní programovací jazyk připomínající Pascal.

Mathematica - systém počítačové algebry společnosti Wolfram Research. Obsahuje mnoho funkcí jak pro analytické transformace, tak pro numerické výpočty. Kromě toho program podporuje grafika A zvuk, včetně konstrukce dvou- a trojrozměrných grafy funkce, kreslení libovolné geometrické tvary, import A vývozní obrazy a zvuk.

Prognostické nástroje- softwarové produkty, které mají funkce výpočtu předpovědí. Prognózování- jeden z nejdůležitější typy dnešní lidská činnost. Už v dávných dobách předpovědi umožňovaly lidem vypočítat období sucha, data zatmění Slunce a Měsíce a mnoho dalších jevů. S příchodem počítačových technologií získalo předpovídání silný impuls pro rozvoj. Jednou z prvních aplikací počítačů byl výpočet balistické dráhy střel, tedy vlastně předpověď místa, kde střela dopadne na zem. Tento typ předpovědi se nazývá statický předpověď. Existují dvě hlavní kategorie prognóz: statické a dynamické. Klíčový rozdíl je v tom, že dynamické předpovědi poskytují informace o chování zkoumaného objektu po významné časové období. Statické předpovědi zase odrážejí stav zkoumaného objektu pouze v jediném časovém okamžiku a v takových předpovědích hraje zpravidla nepodstatnou roli časový faktor, ve kterém objekt prochází změnami. K dnešnímu dni existuje velké množství nástrojů, které vám umožňují vytvářet prognózy. Všechny lze klasifikovat podle mnoha kritérií:

Název nástroje	Rozsah použití	Implementované modely	Požadované školení uživatele	Připraven k použití
Microsoft Excel , openoffice.org	obecný účel	algoritmické, regresní	základní znalost statistiky	je vyžadováno výrazné vylepšení (implementace modelů)
statistika , SPSS , e-pohledy	výzkum	široké spektrum regrese, neuronové sítě		produkt v krabici
matlab	výzkum, vývoj aplikací	algoritmus, regrese, neuronová síť	speciální matematické vzdělání	nutné programování
SAP APO	obchodní prognózy	algoritmický	hluboké znalosti nejsou nutné
ForecastPro , ForecastX	obchodní prognózy	algoritmický	hluboké znalosti nejsou nutné	produkt v krabici
Logilita	obchodní prognózy	algoritmické, neuronové sítě	hluboké znalosti nejsou nutné	Požadováno výrazné zlepšení (pro obchodní procesy)
ForecastPro SDK	obchodní prognózy	algoritmický	nutná základní znalost statistiky	nutné programování (integrace softwaru)
iLog , AnyLogic , Myslím MatlabSimulink , GPSS	vývoj aplikací, simulace	imitace	je vyžadováno speciální matematické vzdělání	je vyžadováno programování (podle specifik regionu)

PC LIRA- multifunkční softwarový balík určený pro návrh a výpočty strojírenských a stavebních konstrukcí pro různé účely. Výpočty v programu jsou prováděny pro statické i dynamické rázy. Základem výpočtů je Metoda konečných prvků(FEM). Různé zásuvné moduly (procesory) umožňují výběr a kontrolu řezů ocelových a železobetonových konstrukcí, simulaci zeminy, výpočet mostů a chování budov při instalaci atd.

| Plánování výuky na školní rok | Hlavní fáze modelování

Lekce 2
Hlavní fáze modelování

Studiem tohoto tématu se naučíte:

Co je modelování;
- co může sloužit jako prototyp pro modelování;
- jaké místo má modelování v lidské činnosti;
- jaké jsou hlavní fáze modelování;
- co je počítačový model;
Co je počítačový experiment.

počítačový experiment

Abychom dali život novému konstrukčnímu vývoji, zavedli nová technická řešení do výroby nebo otestovali nové nápady, je zapotřebí experiment. Experiment je experiment, který se provádí s objektem nebo modelem. Spočívá v provedení některých akcí a určení, jak experimentální vzorek na tyto akce reaguje.

Ve škole děláte pokusy v hodinách biologie, chemie, fyziky, zeměpisu.

Experimenty se provádějí při testování nových vzorků produktů v podnicích. Obvykle se pro tento účel používá speciálně vytvořená sestava, která umožňuje provádět experiment v laboratorních podmínkách, nebo je samotný skutečný produkt podroben všemožným testům (experiment v plném rozsahu). Ke studiu např. výkonových vlastností jednotky nebo sestavy se umístí do termostatu, zamrazí ve speciálních komorách, zkouší na vibračních stojanech, upustí atd. Je dobré, když se jedná o nové hodinky nebo vysavač - ztráta při ničení není velká. Co když je to letadlo nebo raketa?

Laboratorní a plnohodnotné experimenty vyžadují velké materiálové náklady a čas, ale jejich význam je přesto velmi velký.

S rozvojem výpočetní techniky se objevila nová unikátní metoda výzkumu – počítačový experiment. V mnoha případech experimentální vzorky a zkušební stolice pomohly a někdy dokonce nahradily studie počítačové simulace. Fáze provádění počítačového experimentu zahrnuje dvě fáze: sestavení plánu experimentu a provedení studie.

Plán experimentu

Plán experimentu by měl jasně odrážet posloupnost práce s modelem. Prvním krokem v takovém plánu je vždy otestování modelu.

Testování je proces kontroly správnosti sestrojeného modelu.

Test - soubor výchozích údajů, které umožňují určit správnost konstrukce modelu.

Abychom si byli jisti správností získaných výsledků modelování, je nutné: ♦ zkontrolovat vyvinutý algoritmus pro sestavení modelu; ♦ ujistěte se, že sestrojený model správně odráží vlastnosti originálu, které byly zohledněny při simulaci.

Pro kontrolu správnosti algoritmu konstrukce modelu se používá testovací sada počátečních dat, u kterých je konečný výsledek předem znám nebo je předem určen jiným způsobem.

Pokud například při modelování používáte výpočetní vzorce, musíte vybrat několik možností pro počáteční data a vypočítat je „ručně“. Tento testovací úlohy. Když je model sestaven, testujete se stejnými vstupy a porovnáváte výsledky simulace se závěry získanými výpočtem. Pokud se výsledky shodují, pak je algoritmus vypracován správně, pokud ne, je nutné hledat a odstranit příčinu jejich nesouladu. Testovací data nemusí vůbec odrážet skutečnou situaci a nemusí mít sémantický obsah. Výsledky získané během procesu testování vás však mohou přimět k zamyšlení nad změnou původního informačního nebo znakového modelu, především v té jeho části, kde je stanoven sémantický obsah.

Abychom se ujistili, že sestrojený model odráží vlastnosti originálu, které byly zohledněny při simulaci, je nutné vybrat testovací příklad s reálnými zdrojovými daty.

Provádění výzkumu

Po otestování, kdy máte důvěru ve správnost sestrojeného modelu, můžete přistoupit přímo ke studii.

Plán by měl zahrnovat experiment nebo sérii experimentů, které splňují cíle simulace. Každý experiment musí být doprovázen pochopením výsledků, které slouží jako základ pro analýzu výsledků modelování a rozhodování.

Schéma přípravy a provedení počítačového experimentu je znázorněno na obrázku 11.7.

Rýže. 11.7. Schéma počítačového experimentu

Analýza výsledků simulace

Konečným cílem modelování je učinit rozhodnutí, které by mělo být vypracováno na základě komplexní analýzy výsledků simulace. Tato fáze je rozhodující – buď ve studiu pokračujete, nebo ukončíte. Obrázek 11.2 ukazuje, že fáze analýzy výsledků nemůže existovat autonomně. Získané závěry často přispívají k další sérii experimentů a někdy ke změně problému.

Výsledky testování a experimentů slouží jako základ pro vývoj řešení. Pokud výsledky neodpovídají cílům úkolu, znamená to, že v předchozích fázích došlo k chybám. Může se jednat buď o nesprávné uvedení problému, nebo příliš zjednodušenou konstrukci informačního modelu, nebo neúspěšnou volbu modelovací metody či prostředí nebo porušení technologických metod při sestavování modelu. Pokud jsou takové chyby identifikovány, pak je třeba model opravit, to znamená vrátit se do jedné z předchozích fází. Proces se opakuje, dokud výsledky experimentu nesplní cíle simulace.

Hlavní věcí je zapamatovat si, že zjištěná chyba je také výsledkem. Jak říká přísloví, chybami se člověk učí. Velký ruský básník A. S. Puškin o tom také napsal:

Ach, kolik úžasných objevů máme
Připravte ducha osvícení
A zkušenost, syn těžkých chyb,
A génius, paradoxy příteli,
A náhoda, bůh je vynálezce...

Kontrolní otázky a úkoly

1. Jaké jsou dva hlavní typy modelování problémů.

2. Ve známé „Knize problémů“ od G. Ostera je následující problém:

Neúnavně pracující zlá čarodějnice promění denně 30 princezen v housenky. Kolik dní jí bude trvat, než promění 810 princezen v housenky? Kolik princezen denně by se muselo proměnit v housenky, aby práci zvládly za 15 dní?
Kterou otázku lze přiřadit typu „co se stane, když...“ a kterou – typu „jak to udělat, aby...“?

3. Uveďte nejznámější cíle modelingu.

4. Formalizujte hravý problém z „Knihy problémů“ G. Ostera:

Ze dvou budek umístěných ve vzdálenosti 27 km od sebe vyskočili současně dva bojovní psi. První běží rychlostí 4 km / h a druhý - 5 km / h.
Za jak dlouho boj začne?

5. Pojmenujte co nejvíce charakteristik objektu „pár bot“. Komponovat informační model objekt pro různé účely:
■ výběr obuvi pro turistiku;
■ výběr vhodného boxu na boty;
■ nákup krému na obuv.

6. Jaké vlastnosti teenagera jsou zásadní pro doporučení při výběru povolání?

7. Proč je počítač široce používán v simulaci?

8. Vyjmenujte nástroje počítačového modelování, které znáte.

9. Co je počítačový experiment? Uveďte příklad.

10. Co je testování modelů?

11. Jaké chyby se vyskytují v procesu modelování? Co je třeba udělat, když je nalezena chyba?

12. Jaká je analýza výsledků simulace? Jaké závěry se obvykle vyvozují?

L. V. Pigalitsyn,
, www.levpi.narod.ru, střední škola č. 2, Dzeržinsk, oblast Nižnij Novgorod.

Počítačový fyzikální experiment

4. Výpočetní počítačový experiment

Výpočetní experiment se obrací
do samostatného vědního oboru.
R.G. Efremov, doktor fyzikálních a matematických věd

Výpočetní počítačový experiment je v mnoha ohledech podobný konvenčnímu (přirozenému). To zahrnuje plánování experimentů a vytvoření experimentálního nastavení a provádění kontrolních testů a série experimentů a zpracování experimentálních dat, jejich interpretaci atd. Neprovádí se však na reálném objektu, ale na jeho matematickém modelu, roli experimentálního nastavení hraje počítač vybavený speciálním programem.

Výpočetní experiment je stále populárnější. Působí v mnoha institutech a univerzitách, například na Moskevské státní univerzitě. Moskevská státní pedagogická univerzita M. V. Lomonosova, Ústav cytologie a genetiky SB RAS, Ústav molekulární biologie RAS atd. Vědci již mohou získat důležité vědecké výsledky bez skutečného, „mokrého“ experimentu. K tomu není jen počítačová síla, ale také potřebné algoritmy, a co je nejdůležitější, porozumění. Pokud bylo dříve sdíleno - in vivo, in vitro, - nyní přidáno in silico. Ve skutečnosti se výpočetní experiment stává nezávislým vědním oborem.

Výhody takového experimentu jsou zřejmé. Obvykle je levnější než přírodní. Lze do něj snadno a bezpečně zasáhnout. Lze jej kdykoli opakovat a přerušit. Během tohoto experimentu můžete simulovat podmínky, které nelze vytvořit v laboratoři. Je však důležité si uvědomit, že výpočetní experiment nemůže zcela nahradit ten přirozený a budoucnost je pro ně. rozumná kombinace. Počítačový experiment slouží jako most mezi přirozeným experimentem a teoretickými modely. Výchozím bodem numerické simulace je vývoj idealizovaného modelu uvažovaného fyzikálního systému.

Podívejme se na některé příklady výpočtového fyzikálního experimentu.

Moment setrvačnosti. V "Otevřené fyzice" (2.6, část 1) je zajímavý výpočetní experiment na zjištění momentu setrvačnosti tuhého tělesa na příkladu systému sestávajícího ze čtyř kuliček navlečených na jednom paprscích. Můžete změnit polohu těchto kuliček na paprsku, stejně jako zvolit polohu osy otáčení, a to jak středem paprsku, tak i jeho konci. Pro každé uspořádání kuliček studenti vypočítají hodnotu momentu setrvačnosti pomocí Steinerovy věty o paralelním posuvu osy rotace. Podklady pro výpočty poskytuje vyučující. Po výpočtu momentu setrvačnosti se data zadají do programu a zkontrolují se výsledky získané studenty.

"Černá skříňka". Abychom provedli výpočetní experiment, vytvořili jsme se svými studenty několik programů pro studium obsahu elektrické „černé skříňky“. Může obsahovat rezistory, žárovky, diody, kondenzátory, cívky atd.

Ukazuje se, že v některých případech je možné bez otevření „černé skříňky“ zjistit její obsah připojením různých zařízení ke vstupu a výstupu. Samozřejmě na úrovni školy to lze provést pro jednoduchou tří- nebo čtyřterminálovou síť. Takové úkoly rozvíjejí představivost studentů, prostorové myšlení a kreativitu, nemluvě o tom, že pro jejich řešení je nutné mít hluboké a solidní znalosti. Není proto náhodou, že na mnoha celounijních a mezinárodních olympiádách ve fyzice je studium „černých skříněk“ v mechanice, teple, elektřině a optice navrhováno jako experimentální problémy.

Ve speciálních kurzech vedu tři skutečné laboratorní práce, když jsem v „černé skříňce“:

- pouze odpory;

- rezistory, žárovky a diody;

- rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory a oscilační obvody.

Strukturálně se „černé krabičky“ vyrábí v prázdných krabičkách od zápalek. Uvnitř krabice je umístěn elektrický obvod a samotná krabice je utěsněna lepicí páskou. Výzkum se provádí pomocí přístrojů - avometrů, generátorů, osciloskopů atd., - protože. Chcete-li to provést, musíte vytvořit CVC a AFC. Studenti zadávají údaje přístroje do počítače, který zpracuje výsledky a vytvoří CVC a frekvenční odezvu. To umožňuje studentům zjistit, jaké části jsou v „černé skříňce“ a určit jejich parametry.

Při provádění frontální laboratorní práce s „černými skříňkami“ dochází k potížím spojeným s nedostatkem přístrojů a laboratorního vybavení. Pro výzkum je totiž potřeba mít řekněme 15 osciloskopů, 15 generátorů zvuku atd., tzn. 15 sad drahého vybavení, které většina škol nemá. A zde na pomoc přicházejí virtuální "černé skříňky" - odpovídající počítačové programy.

Výhodou těchto programů je, že výzkum může provádět současně celá třída. Jako příklad uvažujme program, který implementuje "černé skříňky" obsahující pouze odpory pomocí generátoru náhodných čísel. Na levé straně plochy je „černá skříňka“. Má elektrický obvod sestávající pouze z rezistorů, které lze umístit mezi body A, B, C A D.

Student má k dispozici tři zařízení: napájecí zdroj (jeho vnitřní odpor se pro zjednodušení výpočtů bere rovný nule a EMF je náhodně generován programem); voltmetr (vnitřní odpor je nekonečno); ampérmetr (vnitřní odpor je nulový).

Při spuštění programu se náhodně generuje elektrický obvod uvnitř "černé skříňky" obsahující 1 až 4 odpory. Žák může udělat čtyři pokusy. Po stisknutí libovolné klávesy je mu nabídnuto připojení libovolného z navrhovaných zařízení ke svorkám "černé skříňky" v libovolném pořadí. Například se připojil ke svorkám AB zdroj proudu s EMF = 3 V (hodnota EMF je náhodně generována programem, v tomto případě se ukázalo, že jsou 3 V). Na terminály CD připojený voltmetr a jeho hodnoty se ukázaly jako 2,5 V. Z toho je třeba usoudit, že v "černé skříňce" je alespoň dělič napětí. Chcete-li pokračovat v experimentu, můžete místo voltmetru připojit ampérmetr a provádět měření. Tato data zjevně nestačí k odhalení záhady. Proto lze provést další dva experimenty: zdroj proudu je připojen ke svorkám CD, a voltmetr a ampérmetr - na svorky AB. Data získaná v tomto případě již budou zcela stačit k rozluštění obsahu „černé skříňky“. Žák nakreslí na papír schéma, vypočítá parametry rezistorů a výsledky ukáže učiteli.

Učitel po kontrole práce zadá do programu příslušný kód a na ploše se objeví obvod uvnitř této „černé skříňky“ a parametry rezistorů.

Program napsali moji studenti v BASICu. Aby to zaběhlo Windows XP nebo v Windows Vista můžete použít emulátor DOS, Například, dos box. Můžete si jej stáhnout z mých webových stránek www.physics-computer.by.ru.

Pokud jsou uvnitř "černé skříňky" nelineární prvky (žárovky, diody atd.), Pak kromě přímých měření budete muset vzít CVC. K tomuto účelu je potřeba mít zdroj proudu, napětí, na jehož výstupech lze napětí měnit z 0 na určitou hodnotu.

Pro studium indukčností a kapacit je nutné měřit frekvenční charakteristiku pomocí virtuálního generátoru zvuku a osciloskopu.

Volič rychlosti. Podívejme se ještě na jeden program z "Open Physics" (2.6, část 2), který umožňuje provést výpočetní experiment se selektorem rychlosti v hmotnostním spektrometru. Pro stanovení hmotnosti částice pomocí hmotnostního spektrometru je nutné provést předběžný výběr nabitých částic podle rychlostí. K tomuto účelu slouží tzv voliče rychlosti.

V nejjednodušším selektoru rychlosti se nabité částice pohybují ve zkřížených jednotných elektrických a magnetických polích. Mezi deskami plochého kondenzátoru vzniká elektrické pole, v mezeře elektromagnetu vzniká magnetické pole. startovací rychlost υ nabité částice směřuje kolmo k vektorům E A V .

Na nabitou částici působí dvě síly: elektrická síla q E a Lorentzova magnetická síla q υ × B . Za určitých podmínek se tyto síly mohou navzájem přesně vyrovnat. V tomto případě se nabitá částice bude pohybovat rovnoměrně a přímočarě. Po prolétnutí kondenzátorem projde částice malým otvorem v obrazovce.

Stav přímočaré trajektorie částice nezávisí na náboji a hmotnosti částice, ale závisí pouze na její rychlosti: qE = qυB→υ = E/B.

V počítačovém modelu můžete změnit hodnoty napětí elektrické pole E, indukce magnetické pole B a počáteční rychlost částic υ . Experiment s výběrem rychlosti lze provést pro elektron, proton, α-částici a plně ionizované atomy uranu-235 a uranu-238. Výpočtový experiment v tomto počítačovém modelu se provádí následovně: studentům se řekne, která nabitá částice vletí do voliče rychlosti, síla elektrického pole a počáteční rychlost částice. Studenti vypočítají intenzitu magnetického pole pomocí výše uvedených vzorců. Poté se data zadají do programu a pozoruje se let částice. Pokud částice letí vodorovně uvnitř voliče rychlosti, pak jsou výpočty správné.

Složitější výpočetní experimenty lze provádět pomocí bezplatného balíčku "MODEL VISION for WINDOWS". Igelitová taška Model Vision Studio (MVS) je integrovaný grafický shell pro rychlé vytváření interaktivních vizuálních modelů komplexních dynamických systémů a provádění výpočtových experimentů s nimi. Balíček byl vyvinut výzkumnou skupinou "Experimentální objektové technologie" na katedře "Distribuované výpočetní techniky a počítačových sítí" Fakulty technické kybernetiky St. technická univerzita. Volně redistribuovatelná bezplatná verze balíčku MVS 3.0 je k dispozici na www.exponenta.ru. Technologie modelování v prostředí MVS vychází z konceptu virtuální laboratorní lavice. Uživatel umístí na stojan virtuální bloky simulovaného systému. Virtuální bloky pro model jsou buď vybrány z knihovny nebo vytvořeny uživatelem znovu. Igelitová taška MVS je určen k automatizaci hlavních fází výpočetního experimentu: sestavení matematického modelu studovaného objektu, generování softwarové implementace modelu, studium vlastností modelu a prezentace výsledků ve formě vhodné pro analýzu. Zkoumaný objekt může patřit do třídy spojitých, diskrétních nebo hybridních systémů. Balíček se nejlépe hodí pro studium složitých fyzikálních a technických systémů.

Jako příklad Podívejme se na poměrně populární problém. Nechat hmotný bod je vržen pod určitým úhlem k vodorovné rovině a sráží se s touto rovinou absolutně pružně. Tento model se stal téměř povinným v demo sadě příkladů modelovacích balíčků. Ve skutečnosti se jedná o typický hybridní systém se spojitým chováním (létání v gravitačním poli) a diskrétními jevy (odskoky). Tento příklad také ilustruje objektově orientovaný přístup k modelování: míč letící v atmosféře je potomkem míče létajícího v bezvzduchovém prostoru a automaticky zdědí všechny společné rysy, přičemž přidává své vlastní rysy.

Poslední, z uživatelského pohledu konečná, fáze modelování je fáze popisu formy pro prezentaci výsledků výpočtového experimentu. Mohou to být tabulky, grafy, povrchy a dokonce animace znázorňující výsledky v reálném čase. Uživatel tak vlastně pozoruje dynamiku systému. Body fázového prostoru se mohou pohybovat, uživatelsky nakreslené konstrukční prvky mohou měnit barvy a uživatel může na obrazovce sledovat například procesy vytápění nebo chlazení. Ve vytvořených balíčcích pro softwarovou implementaci modelu mohou být poskytnuta speciální okna, která umožňují během výpočetního experimentu měnit hodnoty parametrů a okamžitě vidět důsledky změn.

Hodně práce na vizuálním modelování fyzikálních procesů v MVS pořádané v MPGU. Vznikla zde řada virtuálních děl na kurzu. obecná fyzika, která může být spojena s reálnými experimentálními nastaveními, což umožňuje současně sledovat na displeji v reálném čase změnu parametrů jak reálného fyzikálního procesu, tak parametrů jeho modelu, což jasně demonstruje jeho adekvátnost. Jako příklad uvádím sedm laboratorních prací z mechaniky z laboratorní dílny internetového portálu otevřené vzdělávání, odpovídající stávajícímu stavu vzdělávací standardy ve specializaci "Učitel fyziky": studium přímočarého pohybu pomocí Atwoodova stroje; měření rychlosti střely; přidání harmonické vibrace; měření momentu setrvačnosti kola jízdního kola; studovat rotační pohyb pevné tělo; určení zrychlení volného pádu pomocí fyzikálního kyvadla; studium volných kmitů fyzikálního kyvadla.

Prvních šest je virtuálních a simulovaných na PC Zdarma ModelVisionStudio, a ten má jak virtuální verzi, tak dvě skutečné. Jeden pro dálkové studium, student si musí samostatně vyrobit kyvadlo z velké kancelářské sponky a gumy a pověšením pod hřídel počítačové myši bez kuličky získat kyvadlo, jehož úhel vychýlení je načten speciálním programem a musí být studentem používán při zpracování výsledků experimentu. Tento přístup umožňuje některé dovednosti potřebné pro experimentální práce, pracujte pouze na PC a zbytek - při práci s dostupnými reálnými zařízeními a se vzdáleným přístupem k zařízení. V jiné verzi, určené pro domácí trénink studenti denního studia k naplnění laboratorní práce v dílně Katedry obecné a experimentální fyziky Fyzikální fakulty Moskevské státní pedagogické univerzity si student procvičuje dovednosti práce s experimentální sestavou na virtuálním modelu a v laboratoři současně provádí experiment na konkrétní skutečné nastavení a jeho virtuální model. Využívá přitom jak tradičních měřících přístrojů v podobě optické stupnice a stopek, tak i přesnějších a rychlejších prostředků - pohybového senzoru na bázi optické myši a počítačového časovače. Simultánní srovnání všech tří reprezentací (tradiční, zpřesněné pomocí elektronických senzorů připojených k počítači a modelu) stejného jevu nám umožňuje vyvodit závěr o mezích adekvátnosti modelu, kdy data počítačové simulace začínají se po nějaké době stále více lišit od čtení, natočených na reálné instalaci.

Výše uvedené nevyčerpává možnosti využití počítače ve fyzikálním výpočetním experimentu. Takže pro kreativně pracujícího učitele a jeho studenty budou vždy nevyužité příležitosti na poli virtuálního i reálného fyzikálního experimentu.

Pokud máte nějaké připomínky nebo návrhy různé typy fyzický počítačový experiment, napište mi na:

V závěru kapitoly se zamyslíme nad otázkou: kam přiřadit počítačový experiment a počítačovou simulaci ( počítač simulace) !

Zpočátku se počítačová simulace objevila v meteorologii a jaderné fyzice, ale dnes je rozsah jejího použití ve vědě a technice extrémně široký. V tomto ohledu je velmi názorný příklad „globálního modelování“, kdy je svět nahlížen jako soubor vzájemně se ovlivňujících subsystémů: populace, společnost, ekonomika, produkce potravin, inovační komplex, Přírodní zdroje, stanoviště, země a regiony světa (prvním příkladem je zpráva zveřejněná v roce 1972 pro Římský klub „Limits to Growth“). Vývoj a interakce těchto subsystémů určují světovou dynamiku.

Je zřejmé, že zde máme co do činění se superkomplexním systémem se spoustou nelineárních interakcí, pro které nelze postavit typ modelu VIO. Proto zde postupujte následovně. Je sestavena multidisciplinární skupina složená ze specialistů z různých subsystémů. Tato skupina na základě znalostí svých členů tvoří blokové schéma velkého množství prvků a vztahů. Toto blokové schéma je převedeno na matematický počítačový model představující modelovaný systém. Poté se provádějí numerické experimenty s počítačovým modelem, tzn. počítačové experimenty, které ze strany tvorby modelů objektů a procesů, ladění a provádění připomínají skutečný komplexní experiment.

Mezi myšlenkovými a počítačovými experimenty existuje určitá analogie. V případě počítačového experimentu je v jeho průběhu vytvořený počítačový model obdobou FIE modelu v mentálním FIE experimentu. V obou případech pilotní studie je prvkem hledání adekvátního teoretického modelu. V průběhu tohoto hledání jsou v prvním případě vybrány FEC a interakce mezi nimi (a jejich hodnota) a ve druhém případě prvky a vztahy (a jejich hodnota). Z tohoto srovnání je zřejmé, že výsledkem takové experimentální aktivity v obou případech je možný vznik nových poznatků. To znamená, že počítačové modely odpovídají teoretickým modelům OZE jevu a počítačový experiment je nástrojem pro jejich konstrukci. V tomto případě se experimentuje s modelem, nikoli s jevem (podle díla je totéž naznačeno v dílech).

Ve fyzice a dalších přírodní vědy v případě "laboratorních" jevů může skutečný experiment něco změnit na jevu samotném ("položit mu otázku"). Pokud se ukáže, že to k vytvoření VIO modelu stačí a otázkou zůstává pouze upřesnění jeho parametrů, pak má v tomto případě počítačový model triviálnější uplatnění, než jak bylo popsáno výše – řešení složitých rovnic, které popisují fyzikální nebo technický systém, řešení složitých rovnic. a výběr parametrů pro systémy, pro které je již definován model VIO. Tento případ je často označován jako „numerický experiment“.

Fyzika však bere v úvahu i jevy, které je třeba před umístěním do laboratoře kvalitativně prostudovat, například uvolnění jaderné energie nebo zrod elementární částice. Obdobná situace může nastat: 1) v případech ekonomické či technické náročnosti reálného experimentu vypsaného pro myšlenkový experiment, 2) při absenci PRI modelu, tzn. absence teorie jevu (jako v případě turbulentního proudění). V jaderné fyzice a fyzice částic máme první, ne-li oba případy. Zde máme situaci podobnou „globální simulaci“ a začínáme experimentovat s teoretickými modely prostřednictvím počítačových simulací. Proto není divu, že se počítačová simulace objevila velmi brzy v jaderné fyzice.

Počítačový experiment a počítačové modely v netriviálním případě, jako v příkladu „globální simulace“, tedy odpovídají mentálnímu experimentu OZE a teoretickým modelům OZE jevu.

Experiment je forma komunikace mezi dvěma stranami – fenoménem a teoretickým modelem. V zásadě z toho vyplývá možnost manipulace se dvěma stranami. V případě skutečného experimentu dochází k experimentování s jevem a v případě myšlenkového a počítačového experimentu, který lze považovat za obdobu myšlenkového experimentu, s modelem. Ale v obou případech je cílem získat nové poznatky v podobě adekvátního teoretického modelu.

Patří sem i poznámka E. Winsberga: "Není pravda, že skutečný experiment vždy manipuluje pouze s objektem zájmu. Ve skutečnosti, jak ve skutečném experimentu, tak v simulaci, existuje složitý vztah mezi tím, s čím se manipuluje v studium na jedné straně a svět, které jsou cílem studia - na druhé ... Mendel například manipuloval s hráškem, ale zajímal se o studium fenoménu obecné dědičnosti“.

Abychom dali život novému konstrukčnímu vývoji, zavedli nová technická řešení do výroby nebo otestovali nové nápady, je zapotřebí experiment. V nedávné minulosti bylo možné takový experiment provádět buď v laboratorních podmínkách na zařízeních pro to speciálně vytvořených, nebo v přírodě, tedy na reálném vzorku výrobku, který byl podroben nejrůznějším testům. Ke studiu například výkonnostních vlastností jednotky nebo jednotky byla umístěna v termostatu, zmrazena ve speciálních komorách, protřepána na vibračních stojanech, upuštěna atd. Je dobré, když jsou to nové hodinky nebo vysavač ~ ztráta během ničení je malý. Co když je to letadlo nebo raketa?

Laboratorní a plnohodnotné experimenty vyžadují velké materiálové náklady a čas, ale jejich význam je přesto velmi velký.

Již bylo řečeno, že v první fázi, při analýze výchozího objektu, jsou identifikovány elementární objekty, které by měly být v procesu modelování podrobeny různým experimentům. Pokud se vrátíme k příkladu s letadlem, pak pro experimenty s uzly a systémy, jak se říká, jsou všechny prostředky dobré. Pro kontrolu proudění trupu se používá aerodynamický tunel a plnohodnotné modely křídel a trupu, jsou možné různé simulační modely pro testování beznehodových napájecích a požárně bezpečnostních systémů a pro testování je nepostradatelný speciální stojan. systém podvozku.

S rozvojem výpočetní techniky se objevila nová unikátní výzkumná metoda – počítačový experiment. V mnoha případech experimentální vzorky a zkušební stolice pomohly a někdy dokonce nahradily studie počítačové simulace. Fáze provádění počítačového experimentu zahrnuje dvě fáze: sestavení simulačního plánu a simulační technologie.

Simulační plán by měla jasně odrážet posloupnost práce s modelem.

Plán se často zobrazuje jako sekvence číslovaných položek popisujících činnosti, které výzkumník potřebuje provést s počítačovým modelem. Zde není nutné specifikovat, jaké softwarové nástroje mají být použity. Podrobný plán je jakýmsi odrazem strategie počítačového experimentu.

Prvním krokem v takovém plánu je vždy vyvinout test a poté otestovat model.

Testování je proces kontroly správnosti modelu.

Test je soubor počátečních dat, u kterých je předem znám výsledek.

Pro jistotu o správnosti získaných výsledků simulace je nutné nejprve provést počítačový experiment na modelu pro sestavený test. Přitom musíte pamatovat na následující:

Za prvé, test by měl být vždy zaměřen na kontrolu vyvinutého algoritmu pro fungování počítačového modelu. Test neodráží jeho sémantický obsah. Výsledky získané v procesu testování vás však mohou vyzvat ke změně původního informačního nebo znakového modelu, který obsahuje především sémantický obsah zadání problému.

Za druhé, počáteční údaje v testu nemusí vůbec odrážet skutečnou situaci. Může to být libovolná sbírka jednoduchých čísel nebo symbolů. Důležité je, že můžete předem znát očekávaný výsledek pro konkrétní variantu výchozích dat. Model je například prezentován ve formě složitých matematických vztahů. Je potřeba to otestovat. Vyberete několik možností pro nejjednodušší hodnoty počátečních dat a předem vypočítáte konečnou odpověď, tj. znáte očekávaný výsledek. Dále provedete počítačový experiment s těmito počátečními daty a porovnáte výsledek s očekávaným. Musí se shodovat. Pokud se neshodují, je nutné najít a odstranit příčinu.

Po otestování, kdy máte důvěru ve správné fungování modelu, přejdete přímo k modelovací technologie.

Technologie modelování je soubor účelových uživatelských akcí na počítačovém modelu.

Každý experiment musí být doprovázen pochopením výsledků, které budou tvořit základ pro analýzu výsledků simulace.