Számítógépes modellezés - a tudás számítógépes megjelenítésének alapja. Az új információk megszületéséhez szükséges számítógépes modellezés minden olyan információt felhasznál, amely számítógép segítségével frissíthető. A modellezés előrehaladása a számítógépes modellező rendszerek fejlődésével, az informatika fejlődése pedig a számítógépes modellezés tapasztalatainak frissítésével, modell-, módszer- és szoftverrendszerek létrehozásával függ össze, amelyek lehetővé teszik új modellek bankból történő gyűjtését. modellek.

A számítógépes szimuláció egy fajtája egy számítási kísérlet, azaz egy kísérletező által egy vizsgált rendszeren vagy folyamaton egy kísérleti eszköz - számítógép, számítógépes környezet, technológia - segítségével végzett kísérlet.

A számítási kísérlet új eszközzé, a tudományos ismeretek módszerévé, új technológiájává válik annak is köszönhetően, hogy a rendszerek lineáris matematikai modelljeinek tanulmányozásáról (amelyhez a kutatási módszerek és elméletek meglehetősen ismertek vagy kidolgozottak) egyre inkább el kell térni. rendszerek komplex és nemlineáris matematikai modelljeinek tanulmányozása (amelyek elemzése sokkal nehezebb). Nagyjából a környező világgal kapcsolatos ismereteink lineárisak, a környező világban zajló folyamatok pedig nem lineárisak.

A számítási kísérlet lehetővé teszi új minták megtalálását, hipotézisek tesztelését, az események lefolyásának megjelenítését stb.

Fejlődéssel Számítástechnika egy új, egyedülálló kutatási módszer jelent meg - a számítógépes kísérlet. A számítógépes kísérlet egy bizonyos munkasorozatot foglal magában egy modellel, egy számítógépes modellen végzett céltudatos felhasználói műveletek halmazát.

4. szakasz. A szimulációs eredmények elemzése.

Végső gól modellezés - döntéshozatal, amelyet a kapott eredmények átfogó elemzése alapján kell kidolgozni. Ez a szakasz döntő – vagy folytatja a tanulást, vagy befejezi. Talán ismeri a várt eredményt, akkor össze kell hasonlítania a kapott és a várt eredményeket. Egyezés esetén lehet dönteni.

A megoldás kidolgozásának alapja a tesztelések és kísérletek eredményei. Ha az eredmények nem felelnek meg a feladat céljainak, az azt jelenti, hogy az előző szakaszokban hibák történtek. Ez lehet egy információs modell túlságosan leegyszerűsített felépítése, vagy egy modellezési módszer vagy környezet sikertelen kiválasztása, vagy a technológiai módszerek megsértése a modell felépítése során. Ha ilyen hibákat találnak, akkor modell beállítás , azaz térjen vissza az előző lépések egyikéhez. Folyamat ismétli amíg a kísérlet eredményei össze nem derülnek célokat modellezés. A legfontosabb, hogy ne feledje, hogy az észlelt hiba egyben az eredmény is. Ahogy a közmondás mondja, a hibáiból tanul az ember.

Szimulációs programok

ANSYS- végeselemes univerzális szoftverrendszer ( FEM) az elmúlt 30 évben létező és fejlődő elemzés meglehetősen népszerű a számítástechnika területén dolgozó szakemberek körében ( CAE, Computer-Aided Engineering) és a deformálható mechanika lineáris és nemlineáris, stacionárius és nem stacionárius térbeli problémáinak FE megoldásai szilárd testés a szerkezetek mechanikája (beleértve a szerkezeti elemek érintkezési kölcsönhatásának nem stacionárius geometriai és fizikai nemlineáris problémáit), a folyadék- és gázmechanika, a hőátadás és hőátadás, az elektrodinamika, az akusztika, valamint a csatolt mezők mechanikájának problémáit. A modellezés és elemzés egyes iparágakban elkerüli a költséges és hosszadalmas fejlesztési ciklusokat, mint például a "tervezés - gyártás - tesztelés". A rendszer a geometriai kernel alapján működik Parasolid .

AnyLogic - szoftver Mert szimulációs modellezés összetett rendszerekÉs folyamatokat, fejlődött orosz készítette: XJ Technologies ( angol XJ technológiákat). A programnak van a felhasználó grafikus környezeteés lehetővé teszi a használatát Java nyelv modellfejlesztéshez .

Az AnyLogic modellek bármelyik fő szimulációs modellezési paradigmán alapulhatnak: diszkrét eseményszimuláció, rendszerdinamika, És ügynökmodellezés.

Rendszerdinamika és diszkrét-esemény- (folyamat)modellezés, amely alatt bármilyen ötletfejlesztést értünk GPSS Hagyományos, jól bevált megközelítések, az ügynök alapú modellezés viszonylag új. A rendszerdinamika elsősorban időben folyamatos folyamatokkal működik, míg a diszkrét esemény- és ágens alapú modellezés - diszkrétekkel.

A rendszerdinamikát és a diszkrét eseménymodellezést a történelem során teljesen különböző hallgatói csoportoknak tanították: menedzsmentnek, termelési mérnöknek és vezérlőrendszer-tervező mérnöknek. Ennek eredményeként három különböző, szinte átfedés nélküli közösség alakult ki, amelyek alig kommunikálnak egymással.

Az ügynökalapú modellezés egészen a közelmúltig szigorúan tudományos terület volt. A globális optimalizálás iránti növekvő üzleti igény azonban arra kényszerítette a vezető elemzőket, hogy az ügynök alapú modellezésre és annak a hagyományos megközelítésekkel való kombinálására fordítsanak figyelmet, hogy teljesebb képet kapjanak a különféle természetű összetett folyamatok kölcsönhatásáról. Így megszületett az igény olyan szoftverplatformokra, amelyek lehetővé teszik a különböző megközelítések integrálását.

Most nézzük meg a szimulációs modellezési megközelítéseket az absztrakciós szintű skálán. A rendszerdinamika az egyes objektumok aggregátumaikra cserélésével a legmagasabb szintű absztrakciót feltételezi. A diszkrét eseményszimuláció alacsony és közepes tartományban működik. Ami az ügynök alapú modellezést illeti, szinte bármilyen szinten és méretben alkalmazható. Az ügynökök képviselhetnek gyalogosokat, autókat vagy robotokat egy fizikai térben, ügyfelet vagy értékesítőt középszinten, vagy versengő cégeket magas szinten.

Az AnyLogic modellek fejlesztése során többféle modellezési módszer koncepcióját és eszközét használhatja, például egy ügynök alapú modellben, használhatja a rendszerdinamikai módszereket a környezet állapotában bekövetkezett változások ábrázolására, vagy egy folyamatos modellben. dinamikus rendszer, figyelembe veszi a diszkrét eseményeket. Például a szimulációs modellezést alkalmazó ellátási lánc menedzsment megköveteli az ellátási lánc résztvevőinek ügynökök általi leírását: gyártók, eladók, fogyasztók, raktárak hálózata. Ugyanakkor a diszkrét esemény (folyamat) modellezés keretein belül leírják a gyártást, ahol a termék vagy annak részei alkalmazások, az autók, vonatok, targoncák pedig erőforrások. Magukat a szállításokat diszkrét események ábrázolják, de az árukeresletet folyamatos rendszerdinamikai diagrammal lehet leírni. A megközelítések keverésének képessége lehetővé teszi a valós élet folyamatainak leírását, és nem a folyamat hozzáigazítását a rendelkezésre álló matematikai apparátushoz.

LabVIEW (angol Laborékesszólás V virtuális én hangszerelés E mérnöki tervezés W orkbench) van fejlesztőkörnyezetÉs felület a cég "G" grafikus programozási nyelvén készített programok végrehajtására Nemzeti hangszerek(EGYESÜLT ÁLLAMOK). A LabVIEW első verziója 1986-ban jelent meg Apple Macintosh, jelenleg a következőhöz vannak verziók UNIX, GNU/Linux, Mac operációs rendszer stb., és a legfejlettebb és legnépszerűbb verziók a Microsoft Windows.

A LabVIEW-t adatok gyűjtésére és feldolgozására szolgáló rendszerekben, valamint műszaki objektumok és technológiai folyamatok kezelésére használják. Ideológiailag a LabVIEW nagyon közel áll ehhez SCADA-rendszerek, de ezekkel ellentétben inkább a problémák megoldására koncentrál, nem annyira a területen APCS hányan vannak a környéken ASNI.

MATLAB(rövidítése angol « mátrix Laboratórium» ) egy olyan kifejezés, amely a műszaki számítások problémáinak megoldására alkalmazott programcsomagra, valamint a csomagban használt programozási nyelvre utal. MATLAB több mint 1 000 000 mérnök és tudós használja, a legmodernebbeken működik operációs rendszer, beleértve GNU/Linux, Mac operációs rendszer, SolarisÉs Microsoft Windows .

juharfa- Szoftver csomag, számítógépes algebra rendszer. Ez a Waterloo Maple Inc. terméke, amely 1984 komplex matematikai számításokra, adatvizualizációra és modellezésre összpontosító szoftvertermékeket gyárt és forgalmaz.

A Maple rendszert arra tervezték szimbolikus számítások, bár számos eszköze van a numerikus megoldáshoz differenciál egyenletekés megtalálni integrálok. Fejlett grafikával rendelkezik. Megvan a sajátja programozási nyelv emlékeztető Pascal.

Mathematica - számítógépes algebra rendszer cégek Wolfram kutatás. Sokat tartalmaz funkciókat mind analitikai transzformációkhoz, mind numerikus számításokhoz. Ezenkívül a program támogatja grafikaÉs hang, beleértve az építési két- és háromdimenziós diagramok függvények, tetszőleges rajz geometriai formák, importÉs export képek és hangok.

Előrejelző eszközök- olyan szoftvertermékek, amelyek rendelkeznek előrejelzések kiszámításának funkciójával. Előrejelzés- az egyik a legfontosabb típusok mai emberi tevékenység. Az előrejelzések már az ókorban is lehetővé tették az emberek számára, hogy kiszámítsák az aszályos időszakokat, a nap- és holdfogyatkozások időpontját és sok más jelenséget. A számítástechnika megjelenésével az előrejelzés erőteljes fejlődési lendületet kapott. A számítógépek egyik első alkalmazása a lövedékek ballisztikus röppályájának kiszámítása volt, vagyis valójában a lövedék földet érésének pontjának előrejelzése. Ezt a fajta előrejelzést ún statikus előrejelzés. Az előrejelzéseknek két fő kategóriája van: statikus és dinamikus. A legfontosabb különbség az, hogy a dinamikus előrejelzések a vizsgált objektum viselkedéséről adnak információt egy jelentős időtartam alatt. A statikus előrejelzések viszont csak egyetlen időpontban tükrözik a vizsgált objektum állapotát, és általában az ilyen előrejelzésekben az időtényező, amelyben az objektum változásokon megy keresztül, jelentéktelen szerepet játszik. A mai napig számos olyan eszköz létezik, amelyek lehetővé teszik az előrejelzések készítését. Mindegyik számos kritérium szerint osztályozható:

A hangszer neve	Hatály	Megvalósított modellek	Szükséges felhasználói képzés	Használatra kész
Microsoft Excel , openoffice.org	Általános rendeltetésű	algoritmikus, regresszió	statisztikai alapismeretek	jelentős finomítás szükséges (modellek megvalósítása)
statisztika , SPSS , e-nézetek	kutatás	a regresszió széles skálája, a neurális hálózat		dobozos termék
matlab	kutatás, alkalmazásfejlesztés	algoritmikus, regressziós, neurális hálózat	speciális matematikai oktatás	programozás szükséges
SAP APO	üzleti előrejelzés	algoritmikus	mély tudás nem szükséges
ForecastPro , ForecastX	üzleti előrejelzés	algoritmikus	mély tudás nem szükséges	dobozos termék
Logikusság	üzleti előrejelzés	algoritmikus, neurális hálózat	mély tudás nem szükséges	Jelentős fejlesztés szükséges (az üzleti folyamatokhoz)
ForecastPro SDK	üzleti előrejelzés	algoritmikus	statisztikai alapismeretek szükségesek	programozás szükséges (szoftver integráció)
iLog , AnyLogic , gondolom MatlabSimulink , GPSS	alkalmazásfejlesztés, szimuláció	utánzás	speciális matematikai végzettség szükséges	programozás szükséges (a régió sajátosságainak megfelelően)

PC LIRA- többfunkciós szoftvercsomag különböző célú gépgyártás és épületszerkezetek tervezésére és számításaira. A programban a számításokat statikus és dinamikus hatásokra egyaránt elvégezzük. A számítások alapja az végeselemes módszer(FEM). A különféle plug-in modulok (processzorok) lehetővé teszik az acél és vasbeton szerkezetek szakaszainak kiválasztását és ellenőrzését, talajszimulációt, hidak kiszámítását és az épületek viselkedését a telepítés során stb.

| Óratervezés a tanévre | A modellezés főbb szakaszai

2. lecke
A modellezés főbb szakaszai

A téma tanulmányozásával megtudhatja:

Mi a modellezés;
- mi szolgálhat prototípusként a modellezéshez;
- mi a helye a modellezésnek az emberi tevékenységben;
- melyek a modellezés főbb szakaszai;
- mi az a számítógépes modell;
Mi az a számítógépes kísérlet.

számítógépes kísérlet

Az új tervezési fejlesztések életre keltéséhez, új műszaki megoldások gyártásba való bevezetéséhez vagy új ötletek teszteléséhez kísérletre van szükség. A kísérlet egy tárggyal vagy modellel végzett kísérlet. Ez abból áll, hogy végre kell hajtani néhány műveletet, és meghatározni, hogy a kísérleti minta hogyan reagál ezekre a műveletekre.

Az iskolában kísérleteket végez a biológia, kémia, fizika, földrajz órákon.

Kísérleteket végeznek új termékminták vállalkozásoknál történő tesztelésekor. Általában erre a célra egy speciálisan kialakított elrendezést használnak, amely lehetővé teszi a kísérlet elvégzését laboratóriumi körülmények között, vagy magát a valódi terméket vetik alá mindenféle vizsgálatnak (teljes körű kísérlet). Például egy egység vagy szerelvény teljesítményi tulajdonságainak tanulmányozásához termosztátba helyezik, speciális kamrákba fagyasztják, vibrációs állványokon tesztelik, leejtik stb. Jó, ha új óra vagy porszívó - a pusztítás közbeni veszteség nem nagy. Mi van, ha repülő vagy rakéta?

A laboratóriumi és teljes körű kísérletek nagy anyagköltséget és időt igényelnek, de jelentőségük ennek ellenére igen nagy.

A számítástechnika fejlődésével egy új, egyedülálló kutatási módszer jelent meg - a számítógépes kísérlet. A számítógépes szimulációs tanulmányok sok esetben a kísérleti minták és próbapadok segítségére, sőt esetenként pótlására is szolgáltak. A számítógépes kísérlet végrehajtásának szakasza két szakaszból áll: a kísérleti terv elkészítése és a vizsgálat elvégzése.

Kísérleti terv

A kísérleti tervnek egyértelműen tükröznie kell a modellel végzett munka sorrendjét. Egy ilyen terv első lépése mindig a modell tesztelése.

A tesztelés a megszerkesztett modell helyességének ellenőrzésének folyamata.

Teszt - kezdeti adatok halmaza, amely lehetővé teszi a modell felépítésének helyességének meghatározását.

Ahhoz, hogy megbizonyosodjunk a kapott modellezési eredmények helyességéről, szükséges: ♦ ellenőrizni a modell felépítéséhez kidolgozott algoritmust; ♦ győződjön meg arról, hogy a megszerkesztett modell megfelelően tükrözi az eredeti szimuláció során figyelembe vett tulajdonságait.

A modellalkotási algoritmus helyességének ellenőrzésére a kezdeti adatokból álló teszthalmazt használjuk, amelynek végeredménye előre ismert vagy más módon előre meghatározott.

Például, ha számítási képleteket használ a modellezésben, akkor több lehetőséget kell kiválasztania a kiindulási adatokhoz, és „kézileg” kell kiszámítania azokat. Ez tesztfeladatokat. A modell felépítésekor ugyanazokkal a bemenetekkel tesztel, és a szimuláció eredményeit összehasonlítja a számítással kapott következtetésekkel. Ha az eredmények egyeznek, akkor az algoritmus helyesen van kidolgozva, ha nem, akkor meg kell keresni és meg kell szüntetni az eltérés okát. Előfordulhat, hogy a tesztadatok egyáltalán nem tükrözik a valós helyzetet, és nem hordozhatnak szemantikai tartalmat. A tesztelési folyamat során kapott eredmények azonban arra késztethetik, hogy elgondolkozzon az eredeti információs vagy jelmodell megváltoztatásán, elsősorban annak azon részén, ahol a szemantikai tartalom le van fektetve.

Ahhoz, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a megszerkesztett modell tükrözi az eredeti szimuláció során figyelembe vett tulajdonságait, ki kell választani egy tesztpéldát valós forrásadatokkal.

Kutatások végzése

A tesztelés után, ha megbizonyosodott a felépített modell helyességéről, közvetlenül folytathatja a vizsgálatot.

A tervnek tartalmaznia kell egy kísérletet vagy kísérletsorozatot, amely megfelel a szimuláció céljainak. Minden kísérletet az eredmények megértésének kell kísérnie, amely alapul szolgál a modellezés eredményeinek elemzéséhez és a döntéshozatalhoz.

A számítógépes kísérlet elkészítésének és lefolytatásának sémája a 11.7. ábrán látható.

Rizs. 11.7. Egy számítógépes kísérlet vázlata

Szimulációs eredmények elemzése

A modellezés végső célja egy olyan döntés meghozatala, amelyet a szimulációs eredmények átfogó elemzése alapján kell kidolgozni. Ez a szakasz döntő – vagy folytatja a tanulást, vagy befejezi. A 11.2. ábra azt mutatja, hogy az eredményelemzési szakasz nem létezhet önállóan. A kapott következtetések gyakran járulnak hozzá egy további kísérletsorozathoz, és néha a probléma megváltoztatásához.

A megoldás kidolgozásának alapja a tesztelések és kísérletek eredményei. Ha az eredmények nem felelnek meg a feladat céljainak, az azt jelenti, hogy az előző szakaszokban hibák történtek. Ez lehet a probléma helytelen megfogalmazása, vagy egy információs modell túlságosan leegyszerűsített felépítése, vagy a modellezési módszer vagy környezet sikertelen kiválasztása, vagy a technológiai módszerek megsértése a modell felépítése során. Ha ilyen hibákat azonosítanak, akkor a modellt ki kell javítani, vagyis vissza kell térni az előző szakaszok egyikéhez. A folyamatot addig ismételjük, amíg a kísérlet eredményei el nem érik a szimuláció céljait.

A legfontosabb, hogy ne feledje, hogy az észlelt hiba egyben az eredmény is. Ahogy a közmondás mondja, a hibáiból tanul az ember. Erről a nagy orosz költő, A. S. Puskin is írt:

Ó, mennyi csodálatos felfedezésünk van
Készítsd fel a megvilágosodás szellemét
És a tapasztalat, a nehéz hibák fia,
És zseniális, paradoxon barát,
És a véletlen, Isten a feltaláló...

Ellenőrző kérdések és feladatok

1. Mi a modellezési problémafelvetés két fő típusa.

2. G. Oster jól ismert "Problémakönyvében" a következő probléma van:

A fáradhatatlanul dolgozó gonosz boszorkány naponta 30 hercegnőt csinál hernyókká. Hány nap kell neki, hogy 810 hercegnőt hernyókká változtassanak? Hány hercegnőt kellene naponta hernyóvá varázsolni, hogy 15 nap alatt elvégezzék a munkát?
Melyik kérdés tulajdonítható a "mi lesz, ha ..." típusának, és melyik a "hogyan kell csinálni, hogy ..." típusnak?

3. Sorolja fel a modellezés legismertebb céljait!

4. Formalizálja a játékos problémát G. Oster „Problémakönyvéből”:

Két, egymástól 27 km-re lévő fülkéből egyszerre két bunkó kutya ugrott ki egymás felé. Az első 4 km / h sebességgel fut, a második pedig 5 km / h.
Meddig kezdődik a harc?

5. Nevezzen meg minél több jellemzőt a "pár cipő" tárgynak. Smink információs modell objektum különböző célokra:
■ lábbeli kiválasztása túrázáshoz;
■ megfelelő cipődoboz kiválasztása;
■ cipőápoló krém vásárlása.

6. Milyen tulajdonságok szükségesek egy tinédzserhez a szakmaválasztási ajánláshoz?

7. Miért használják széles körben a számítógépet a szimulációban?

8. Nevezze meg a számítógépes modellezés általa ismert eszközeit!

9. Mi az a számítógépes kísérlet? Adj egy példát.

10. Mi az a modelltesztelés?

11. Milyen hibák fordulnak elő a modellezési folyamat során? Mi a teendő, ha hibát talál?

12. Mi a szimulációs eredmények elemzése? Milyen következtetéseket szoktak levonni?

L. V. Pigalicyn,
, www.levpi.narod.ru, 2. számú középiskola, Dzerzsinszk, Nyizsnyij Novgorod régió.

Számítógépes fizikai kísérlet

4. Számítógépes kísérlet

A számítási kísérlet megfordul
önálló tudományterületté.
R. G. Efremov, a fizikai és matematikai tudományok doktora

A számítási számítógépes kísérlet sok tekintetben hasonlít a hagyományos (természetes) kísérlethez. Ebbe beletartozik a kísérletek tervezése, és a kísérleti összeállítás kialakítása, valamint a kontrollvizsgálatok és a kísérletsorozatok elvégzése, valamint a kísérleti adatok feldolgozása, értelmezése stb. Ez azonban nem valós objektumon, hanem annak matematikai modelljén történik, a kísérleti összeállítás szerepét egy speciális programmal felszerelt számítógép tölti be.

A számítási kísérlet egyre népszerűbb. Számos intézetben és egyetemen vesznek részt, például a Moszkvai Állami Egyetemen. M. V. Lomonoszov Moszkvai Állami Pedagógiai Egyetem, Citológiai és Genetikai Intézet SB RAS, Intézet molekuláris biológia RAS stb. A tudósok már valódi, „nedves” kísérlet nélkül is fontos tudományos eredményekhez juthatnak. Ehhez nem csak a számítógép teljesítménye van, hanem a szükséges algoritmusok is, és ami a legfontosabb, a megértés. Ha korábban megosztotta - in vivo, in vitro, - most hozzá in silico. Valójában a számítási kísérlet önálló tudományterületté válik.

Egy ilyen kísérlet előnyei nyilvánvalóak. Általában olcsóbb, mint a természetes. Könnyen és biztonságosan be lehet avatkozni. Bármikor megismételhető és megszakítható. A kísérlet során olyan körülményeket szimulálhat, amelyeket a laboratóriumban nem lehet létrehozni. Fontos azonban emlékezni arra, hogy egy számítási kísérlet nem helyettesítheti teljesen a természetes kísérletet, és a jövő náluk van. ésszerű kombináció. A számítógépes számítógépes kísérlet hídként szolgál a természetes kísérlet és az elméleti modellek között. A numerikus szimuláció kiindulópontja a vizsgált fizikai rendszer idealizált modelljének kidolgozása.

Nézzünk néhány példát a számítógépes fizikai kísérletekre.

Tehetetlenségi nyomaték. A "Nyílt fizika" (2.6, 1. rész) egy érdekes számítási kísérletet végez egy merev test tehetetlenségi nyomatékának meghatározására egy olyan rendszer példáján, amely négy, egy küllőre felfűzött golyóból áll. Megváltoztathatja ezeknek a golyóknak a helyzetét a küllőn, valamint kiválaszthatja a forgástengely helyzetét, áthúzva a küllő közepén és a végein is. A golyók minden elrendezéséhez a hallgatók kiszámítják a tehetetlenségi nyomaték értékét a Steiner-tétel segítségével a forgástengely párhuzamos transzlációján. A számításokhoz szükséges adatokat a tanár biztosítja. A tehetetlenségi nyomaték kiszámítása után az adatok bekerülnek a programba, és ellenőrzik a tanulók által elért eredményeket.

"Fekete doboz". A számítási kísérlet megvalósításához tanítványaimmal több programot készítettünk az elektromos „fekete doboz” tartalmának tanulmányozására. Tartalmazhat ellenállásokat, izzólámpákat, diódákat, kondenzátorokat, tekercseket stb.

Kiderült, hogy bizonyos esetekben a "fekete doboz" kinyitása nélkül is megtudhatja annak tartalmát, ha különféle eszközöket csatlakoztat a bemenethez és a kimenethez. Természetesen iskolai szinten ez egy egyszerű három-négy terminálos hálózatnál is megoldható. Az ilyen feladatok fejlesztik a tanulók képzeletét, térbeli gondolkodásés kreativitás, nem beszélve arról, hogy megoldásukhoz mély és szilárd tudás szükséges. Ezért nem véletlen, hogy számos szövetségi és nemzetközi fizikaolimpián kísérleti problémaként javasolják a mechanika, hő, elektromosság és optika "fekete dobozainak" tanulmányozását.

A speciális tanfolyami órákon három igazi laboratóriumi munkát végzek, amikor a "fekete dobozban" vagyok:

- csak ellenállások;

- ellenállások, izzólámpák és diódák;

- ellenállások, kondenzátorok, tekercsek, transzformátorok és oszcillációs áramkörök.

Szerkezetileg a "fekete dobozok" üres gyufásdobozokban készülnek. A doboz belsejében elektromos áramkör van elhelyezve, és magát a dobozt ragasztószalaggal lezárják. A kutatást műszerek - avométerek, generátorok, oszcilloszkópok stb. - segítségével végzik, - mert. Ehhez létre kell hoznia a CVC-t és az AFC-t. A hallgatók beírják a műszer leolvasásait egy számítógépbe, amely feldolgozza az eredményeket, és felépíti a CVC-t és a frekvenciamenetet. Ez lehetővé teszi a diákok számára, hogy kitalálják, mely részek vannak a "fekete dobozban", és meghatározzák azok paramétereit.

A "fekete dobozokkal" végzett frontális laboratóriumi munka során nehézségek merülnek fel a műszerek és a laboratóriumi felszerelések hiányával. Valóban, a kutatáshoz szükség van mondjuk 15 oszcilloszkópra, 15 hanggenerátorra stb., pl. 15 szett drága felszerelés, amivel a legtöbb iskola nem rendelkezik. És itt a virtuális "fekete dobozok" jönnek a segítségre - a megfelelő számítógépes programok.

Ezeknek a programoknak az az előnye, hogy a kutatást az egész osztály egyszerre végezheti. Példaként vegyünk egy programot, amely véletlenszám-generátor segítségével valósít meg "fekete dobozokat", amelyek csak ellenállásokat tartalmaznak. Az asztal bal oldalán egy "fekete doboz" található. Csak ellenállásokból álló elektromos áramköre van, amelyek a pontok közé helyezhetők A, B, CÉs D.

A hallgatónak három eszköz áll rendelkezésére: egy áramforrás (belső ellenállását nullával egyenlőnek tekintjük a számítások egyszerűsítése érdekében, és az EMF-et véletlenszerűen generálja a program); voltmérő (belső ellenállás a végtelen); ampermérő (belső ellenállás nulla).

A program futtatásakor véletlenszerűen egy elektromos áramkör jön létre a "fekete dobozban", amely 1-4 ellenállást tartalmaz. A tanuló négy kísérletet tehet. Bármelyik gomb megnyomása után felajánlják, hogy a javasolt eszközök bármelyikét tetszőleges sorrendben csatlakoztassa a „fekete doboz” kivezetéseihez. Például csatlakozott a terminálokhoz ABáramforrás EMF = 3 V esetén (az EMF értéket véletlenszerűen generálja a program, ebben az esetben 3 V-nak bizonyult). A terminálokhoz CD Voltmérőt csatlakoztatott, és a leolvasása 2,5 V-nak bizonyult. Ebből arra kell következtetni, hogy a "fekete dobozban" van legalább egy feszültségosztó. A kísérlet folytatásához voltmérő helyett ampermérőt csatlakoztathat, és leolvasást végezhet. Ezek az adatok nyilvánvalóan nem elegendőek a rejtély megfejtéséhez. Ezért további két kísérletet lehet végezni: az áramforrást a sorkapcsokra kell csatlakoztatni CD, valamint a voltmérőt és az ampermérőt - a kapcsokhoz AB. Az ebben az esetben kapott adatok már elégségesek lesznek a „fekete doboz” tartalmának feloldásához. A tanuló papírra rajzol egy diagramot, kiszámítja az ellenállások paramétereit, és az eredményeket megmutatja a tanárnak.

A tanár, miután ellenőrizte a munkát, beírja a megfelelő kódot a programba, és a „fekete dobozban” lévő áramkör és az ellenállások paraméterei megjelennek az asztalon.

A programot a BASIC-es tanítványaim írták. Hogy befusson Windows XP vagy be Windows Vista használhat emulátort DOS, Például, dos doboz. Letöltheti a webhelyemről: www.physics-computer.by.ru.

Ha a "fekete dobozban" vannak nem lineáris elemek (izzólámpák, diódák stb.), akkor a közvetlen mérések mellett a CVC-t is meg kell vennie. Ehhez szükség van egy áramforrásra, egy feszültségre, amelynek kimenetein a feszültség 0-ról egy bizonyos értékre változtatható.

Az induktivitások és kapacitások tanulmányozásához meg kell mérni a frekvenciamenetet egy virtuális hanggenerátor és egy oszcilloszkóp segítségével.

Sebesség választó. Tekintsünk még egy programot az "Open Physics"-ből (2.6, 2. rész), amely lehetővé teszi egy számítási kísérlet elvégzését tömegspektrométerben sebességválasztóval. A részecske tömegének tömegspektrométerrel történő meghatározásához el kell végezni a töltött részecskék előzetes kiválasztását sebesség szerint. Ezt a célt szolgálja az ún sebességválasztók.

A legegyszerűbb sebességválasztóban a töltött részecskék keresztezett egyenletes elektromos és mágneses térben mozognak. Egy lapos kondenzátor lemezei között elektromos tér, egy elektromágnes résében mágneses tér jön létre. kezdősebesség υ töltött részecskéket merőlegesen irányítjuk a vektorokra E És BAN BEN .

Két erő hat egy töltött részecskére: az elektromos erő q E és a Lorentz mágneses erő q υ × B . Bizonyos feltételek mellett ezek az erők pontosan kiegyensúlyozhatják egymást. Ebben az esetben a töltött részecske egyenletesen és egyenes vonalúan fog mozogni. Miután átrepült a kondenzátoron, a részecske áthalad egy kis lyukon a képernyőn.

Egy részecske egyenes vonalú pályájának állapota nem függ a részecske töltésétől és tömegétől, hanem csak a sebességétől: qE = qυB→υ = E/B.

Számítógépes modellben módosíthatja a feszültségértékeket elektromos mező E, indukció mágneses mező Bés a részecskék kezdeti sebessége υ . A sebesség szelekciós kísérlet elvégezhető elektronra, protonra, α-részecskére és teljesen ionizált urán-235 és urán-238 atomokra. Ebben a számítógépes modellben egy számítási kísérletet a következőképpen hajtanak végre: a tanulóknak megmondják, melyik töltött részecske repül be a sebességválasztóba, az elektromos térerősséget és a részecske kezdeti sebességét. A tanulók a fenti képletekkel számítják ki a mágneses térerősséget. Ezt követően az adatok bekerülnek a programba, és megfigyelik a részecske repülését. Ha a részecske vízszintesen repül a sebességválasztó belsejében, akkor a számítások helyesek.

Az ingyenes csomag segítségével bonyolultabb számítási kísérletek is elvégezhetők "MODEL VISION for WINDOWS". Nejlonzacskó Model Vision Studio (MVS) egy integrált grafikus héj komplex dinamikus rendszerek interaktív vizuális modelljeinek gyors létrehozásához és számítási kísérletek elvégzéséhez azokkal. A csomagot a Szentpétervári Állami Műszaki Kibernetikai Kar "Elosztott Számítástechnikai és Számítógépes Hálózatok" Tanszékének "Kísérleti Objektumtechnológiák" kutatócsoportja fejlesztette ki. technikai Egyetem. A csomag szabadon terjeszthető ingyenes verziója MVS 3.0 elérhető a www.expponenta.ru oldalon. Modellezési technológia a környezetben MVS a virtuális laboratóriumi munkapad koncepcióján alapul. A felhasználó a szimulált rendszer virtuális blokkjait helyezi el az állványon. A modell virtuális blokkjait vagy kiválasztja a könyvtárból, vagy a felhasználó hozza létre újra. Nejlonzacskó MVS célja a számítási kísérlet főbb szakaszainak automatizálása: a vizsgált objektum matematikai modelljének felépítése, a modell szoftveres implementációjának generálása, a modell tulajdonságainak tanulmányozása és az eredmények elemzésre alkalmas formában történő bemutatása. A vizsgált objektum a folytonos, diszkrét vagy hibrid rendszerek osztályába tartozhat. A csomag komplex fizikai és műszaki rendszerek tanulmányozására a legalkalmasabb.

Mint például Nézzünk egy meglehetősen népszerű problémát. Hadd anyagi pont egy vízszintes síkhoz képest bizonyos szöget zár be, és abszolút rugalmasan ütközik ezzel a síkkal. Ez a modell szinte kötelezővé vált a példamodellező csomagok bemutatókészletében. Valójában ez egy tipikus hibrid rendszer folyamatos viselkedéssel (repülés gravitációs mezőben) és diszkrét eseményekkel (pattanások). Ez a példa is szemlélteti a modellezés tárgyorientált megközelítését: a légkörben repülő labda egy levegőtlen térben repülő labda leszármazottja, és automatikusan örökli az összes közös jellemzőt, miközben hozzáadja saját jellemzőit.

A modellezés utolsó, végső, a felhasználó szempontjából történő szakasza a számítási kísérlet eredményeinek bemutatására szolgáló forma leírásának szakasza. Ezek lehetnek táblázatok, grafikonok, felületek és akár animációk is, amelyek valós időben illusztrálják az eredményeket. Így a felhasználó ténylegesen megfigyeli a rendszer dinamikáját. A fázistérpontok mozoghatnak, a felhasználó által rajzolt szerkezeti elemek színt válthatnak, a felhasználó pedig követheti a képernyőn például a fűtési vagy hűtési folyamatokat. A modell szoftveres megvalósításához létrehozott csomagokban speciális ablakok biztosíthatók, amelyek lehetővé teszik a számítási kísérlet során a paraméterek értékeinek megváltoztatását, és azonnali áttekintést a változtatások következményeiről.

Sok munka a fizikai folyamatok vizuális modellezésén MVS MPGU-ban tartották. A tanfolyamon számos virtuális alkotást készítettek ott. általános fizika, amely valós kísérleti elrendezésekkel társítható, amely lehetővé teszi, hogy a kijelzőn egyszerre, valós időben figyelje meg mind a valós fizikai folyamat, mind a modell paramétereinek változását, egyértelműen bizonyítva annak megfelelőségét. Példaként hozok hét mechanikai laboratóriumi munkát az internetes portál laboratóriumi műhelyéből nyitott oktatás, amely megfelel a meglévő állapotnak oktatási szabványok a "Fizikatanár" szakon: az egyenes vonalú mozgás tanulmányozása az Atwood gép segítségével; a golyó sebességének mérése; kiegészítés harmonikus rezgések; kerékpárkerék tehetetlenségi nyomatékának mérése; tanul forgó mozgás szilárd test; szabadesési gyorsulás meghatározása fizikai inga segítségével; fizikai inga szabad rezgésének vizsgálata.

Az első hat virtuális, és PC-n szimulálják ModelVisionStudioFree, és az utóbbinak van virtuális és két valódi verziója is. Egy a távoktatás, a tanulónak önállóan kell ingát készítenie egy nagyméretű gemkapocsból és radírból, és a számítógépes egér tengelye alá akasztva golyó nélkül kapnia kell egy ingát, amelynek elhajlási szögét egy speciális program leolvassa és a tanulónak használnia kell. a kísérlet eredményeinek feldolgozásakor. Ez a megközelítés lehetővé teszi a szükséges készségek egy részét kísérleti munka, csak számítógépen edz, a többit pedig akkor, ha a rendelkezésre álló valós eszközökkel és távoli hozzáféréssel dolgozik. Egy másik változatban, otthoni edzésre tervezve nappali tagozatos hallgatók a beteljesüléshez laboratóriumi munka a Moszkvai Állami Pedagógiai Egyetem Fizikai Karának Általános és Kísérleti Fizikai Tanszékének műhelyében a hallgató egy virtuális modellen dolgozza ki a kísérleti elrendezéssel való munkavégzés készségeit, a laboratóriumban pedig egyidejűleg végez kísérletet egy konkrét valós beállítás és annak virtuális modellje. Ugyanakkor mind a hagyományos mérőeszközöket optikai mérleg és stopper formájában, mind pontosabb és gyorsabb eszközöket - optikai egéren alapuló mozgásérzékelőt és számítógépes időzítőt - használ. Ugyanazon jelenség mindhárom reprezentációjának (hagyományos, számítógéphez csatlakoztatott elektronikus szenzorokkal finomított és modell) egyidejű összehasonlítása lehetővé teszi, hogy a számítógépes szimulációs adatok kezdetekor következtetést vonjunk le a modell megfelelőségének határairól. hogy egy idő után egyre jobban eltérjen a valódi installációra felvett olvasmányoktól.

A fentiek nem merítik ki a számítógép fizikai számítási kísérletben való felhasználásának lehetőségeit. Így egy kreatívan dolgozó tanár és tanítványa számára mindig lesznek kihasználatlan lehetőségek a virtuális és valós fizikai kísérletek terén.

Ha bármilyen észrevétele vagy javaslata van különféle típusok fizikai számítógépes kísérlet, írjon nekem a következő címre:

A fejezet zárásaként megvizsgáljuk a kérdést: hol tulajdonítunk számítógépes kísérletet és számítógépes szimulációt? számítógép szimulációk) !

A számítógépes szimuláció kezdetben a meteorológiában és a magfizikában jelent meg, de ma már rendkívül széles a tudományos és technológiai alkalmazási köre. Ebben a tekintetben nagyon jelzésértékű a „globális modellezés” példája, ahol a világot egymásra ható alrendszerek halmazának tekintik: népesség, társadalom, gazdaság, élelmiszertermelés, innovációs komplexum, Természetes erőforrások, élőhely, a világ országai és régiói (az első példa a Római Klubnak 1972-ben megjelent „Növekedés határai” jelentés). Ezen alrendszerek fejlődése és kölcsönhatása határozza meg a világ dinamikáját.

Nyilvánvalóan itt egy szuperkomplex rendszerrel van dolgunk, sok nemlineáris kölcsönhatással, amihez nem tud VIO modelltípust építeni. Ezért itt a következőképpen járjon el. Összeáll egy multidiszciplináris csoport, amely különböző alrendszerekhez tartozó szakemberekből áll. Ez a csoport tagjainak tudása alapján nagyszámú elem és kapcsolat blokkdiagramját alkotja. Ezt a blokkdiagramot a rendszer a modellezett rendszert reprezentáló matematikai számítógépes modelllé alakítja. Ezt követően numerikus kísérleteket végeznek számítógépes modellel, azaz. számítógépes kísérletek, amelyek az objektum- és folyamatmodellek létrehozása, a hibakeresés és a végrehajtás oldaláról egy igazi összetett kísérletre hasonlítanak.

Van egy bizonyos analógia a gondolati és a számítógépes kísérletek között. Számítógépes kísérlet esetén az ennek során kidolgozott számítógépes modell a mentális FIE-kísérlet FIE modelljének analógja. Mindkét esetben kísérleti tanulmány eleme a megfelelő elméleti modell keresésének. A keresés során az első esetben a FEC-ek és a közöttük lévő interakciók (és értékük), a második esetben pedig az elemek és kapcsolatok (és ezek értéke) kerülnek kiválasztásra. Ebből az összehasonlításból világosan látszik, hogy az eredménye az ilyen kísérleti tevékenységek mindkét esetben lehetséges új ismeretek megjelenése. Vagyis a számítógépes modellek megfelelnek a jelenség elméleti RES-modelljeinek, a számítógépes kísérlet pedig ezek megalkotásának eszköze. Ebben az esetben a kísérletezés a modellel történik, és nem a jelenséggel (a munka szerint ugyanezt jelzik a művek).

A fizikában és másokban természettudományok"laboratóriumi" jelenségek esetén egy valódi kísérlet magában a jelenségben is megváltoztathat valamit ("kérdezd meg"). Ha ez elegendőnek bizonyul egy VIO modell elkészítéséhez, és már csak a paramétereinek finomítása marad a kérdés, akkor ebben az esetben a számítógépes modellnek a fent leírtaknál triviálisabb alkalmazása van - fizikai vagy technikai rendszert leíró összetett egyenletek megoldása, és paraméterek kiválasztása olyan rendszerek számára, amelyekhez a VIO modell már definiálva van. Ezt az esetet gyakran "numerikus kísérletnek" nevezik.

A fizika azonban figyelembe veszi azokat a jelenségeket is, amelyeket minőségileg meg kell vizsgálni, mielőtt laboratóriumba helyeznék őket, például az atomenergia felszabadulását vagy a elemi részecskék. Hasonló helyzet állhat elő: 1) egy gondolatkísérlethez felsorolt valós kísérlet gazdasági vagy műszaki bonyolultsága esetén, 2) PRI modell hiányában, pl. a jelenség elméletének hiánya (mint a turbulens áramlások esetében). A magfizikában és a részecskefizikában megvan az első, ha nem mindkét eset. Itt a „globális szimulációhoz” hasonló helyzet áll előttünk, és elkezdünk elméleti modellekkel kísérletezni számítógépes szimulációk segítségével. Ezért nem meglepő, hogy a számítógépes szimuláció nagyon korán megjelent a magfizikában.

Tehát egy számítógépes kísérlet és a számítógépes modellek nem triviális esetben, mint a "globális szimuláció" példájában, megfelelnek a jelenség mentális RES-kísérletének és elméleti RES-modelljének.

A kísérlet két oldal közötti kommunikáció egyik formája – egy jelenség és egy elméleti modell. Ez elvileg magában foglalja a kétoldalú manipuláció lehetőségét. Valós kísérlet esetén egy jelenséggel, a mentális és számítógépes kísérletnél pedig, amely a mentális analógjának tekinthető, modellel történik a kísérletezés. De mindkét esetben a cél az új ismeretek megszerzése megfelelő elméleti modell formájában.

Ide tartozik E. Winsberg megjegyzése: "Nem igaz, hogy egy valódi kísérlet mindig csak az érdeklődési tárgyat manipulálja. Valójában mind a valós kísérletben, mind a szimulációban összetett kapcsolat van a tanulmányban manipulált dolgok között, és nem igaz, hogy egy valós kísérletben mindig csak a tárgyat manipulálják. egyrészt, és a világ, ami a tanulmány célja – másrészt... Mendel például manipulálta a borsót, de az általános öröklődés jelenségének tanulmányozása iránt érdeklődött.

Az új tervezési fejlesztések életre keltéséhez, új műszaki megoldások gyártásba való bevezetéséhez vagy új ötletek teszteléséhez kísérletre van szükség. A közelmúltban egy ilyen kísérletet akár laboratóriumi körülmények között, speciálisan erre kialakított létesítményeken, akár természetben, azaz a termék valódi mintáján, mindenféle vizsgálatnak alávetve lehetett végezni. Például egy egység vagy egység teljesítményi tulajdonságainak tanulmányozásához termosztátba helyezték, speciális kamrákba fagyasztották, rezgő állványokon rázták, leejtették stb. Jó, ha új óra vagy porszívó ~ a veszteség pusztulás közben kicsi. Mi van, ha repülő vagy rakéta?

A laboratóriumi és teljes körű kísérletek nagy anyagköltséget és időt igényelnek, de jelentőségük ennek ellenére igen nagy.

Már említettük, hogy az első szakaszban, a kezdeti objektum elemzésekor elemi objektumokat azonosítanak, amelyeket a modellezés során különféle kísérleteknek kell alávetni. Ha visszatérünk a repülőgép példájához, akkor a csomópontokkal és rendszerekkel végzett kísérletekhez, ahogy mondani szokás, minden eszköz jó. A hajótest áramvonalasságának ellenőrzésére szélcsatornát és teljes méretű szárny- és törzsmodelleket használnak, különféle szimulációs modellek lehetségesek a balesetmentes áramellátás és tűzbiztonsági rendszerek teszteléséhez, valamint egy speciális állvány nélkülözhetetlen a szárnyak és törzsek teszteléséhez. futómű rendszer.

A számítástechnika fejlődésével egy új, egyedülálló kutatási módszer jelent meg - a számítógépes kísérlet. A számítógépes szimulációs tanulmányok sok esetben a kísérleti minták és próbapadok segítségére, sőt esetenként pótlására is szolgáltak. A számítógépes kísérlet végrehajtásának szakasza két szakaszból áll: szimulációs terv elkészítése és szimulációs technológia.

Szimulációs terv egyértelműen tükröznie kell a modellel végzett munka sorrendjét.

A terv gyakran számozott tételek sorozataként jelenik meg, amelyek leírják azokat a műveleteket, amelyeket a kutatónak el kell végeznie a számítógépes modellel. Itt nem szükséges meghatározni, hogy milyen szoftvereszközöket kell használni. A részletes terv egyfajta tükörképe egy számítógépes kísérlet stratégiájának.

Egy ilyen terv első lépése mindig egy teszt kidolgozása, majd a modell tesztelése.

A tesztelés a modell helyességének ellenőrzésének folyamata.

A teszt kezdeti adatok halmaza, amelynek eredménye előre ismert.

Ahhoz, hogy megbizonyosodjunk a kapott szimulációs eredmények helyességéről, először számítógépes kísérletet kell végezni a modellen az összeállított teszthez. Ennek során emlékeznie kell a következőkre:

Először is, a tesztnek mindig a számítógépes modell működésére kidolgozott algoritmus ellenőrzésére kell irányulnia. A teszt nem tükrözi annak szemantikai tartalmát. A tesztelés során kapott eredmények azonban az eredeti információ vagy előjelmodell megváltoztatására késztethetnek, amely mindenekelőtt a problémafelvetés szemantikai tartalmát tartalmazza.

Másodszor, a teszt kezdeti adatai egyáltalán nem tükrözik a valós helyzetet. Ez lehet egyszerű számok vagy szimbólumok bármilyen gyűjteménye. Az a fontos, hogy előre tudd a kiindulási adatok egy adott változatánál várható eredményt. Például a modellt összetett matematikai összefüggések formájában mutatjuk be. Ki kell tesztelni. Több lehetőséget választ ki a kiindulási adatok legegyszerűbb értékére, és előre kiszámítja a végső választ, azaz ismeri a várható eredményt. Ezután végezzen számítógépes kísérletet ezekkel a kezdeti adatokkal, és hasonlítsa össze az eredményt a várttal. Egyeznie kell. Ha nem egyeznek, meg kell találni és meg kell szüntetni az okot.

A tesztelés után, amikor bízik a modell megfelelő működésében, közvetlenül a modellezési technológiák.

A modellezési technológia céltudatos felhasználói műveletek összessége egy számítógépes modellen.

Minden kísérlethez csatolni kell az eredmények megértését, amelyek a szimulációs eredmények elemzésének alapját képezik.