Возможности систем программирования в физике

Руководители ,

г. Энгельс, МБОУ «СОШ №12»

ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМ ПРОГРАММИРОВАНИЯ В ФИЗИКЕ

Изучая физику в старших классах, мы выполняем большое количество лабораторных и практических работ. Для выполнения одних используются простые формулы расчета конечной величины, для других – сложные вычисления и формулы. Иногда процесс измерения физической величины можно наглядно представить в виде таблицы, графика или диаграммы.

Зная основы программирования, можно часть этой работы «перевести» на язык компьютерных программ, с помощью которых мы сможем рассчитывать и моделировать физические процессы. При этом программу в дальнейшем можно использовать для проведения различных экспериментов.

Все это определило выбор темы исследовательской работы «Возможности систем программирования в физике». Цель работы: составить программу на одном из языков программирования для проведения практической работы по физике.

Для исследования нами была выбрана тема «Зависимость сопротивления проводника от температуры» и проведена следующая практическая работа. Была собрана цепь, представленная на рисунке. В эту цепь кроме лампы включены переменный резистор R1, предназначенный для плавного регулирования величины тока, и резистор R=0,5Ом.

Рисунок 1. Схема опыта

Падение напряжения, измеренное на резисторе R, используется для вычисления силы тока в лампе. Напряжение на лампе и на резисторе R измеряются с помощью мультиметра. Яркость свечения лампы изменяется в широких пределах вращением ручки переменного резистора.

Сопротивление нити накала лампы Rл вычисляется на основе закона Ома (Rл=Uл/I) с использованием измеренного на лампе напряжения Uл и силы тока в цепи I, которая, в свою очередь, определяется по падению напряжения U на резисторе R (I=U/R).

При выполнении эксперимента мы определяли сопротивление нити лампы накала при пяти различных значениях протекающего через нее тока.

В первом опыте, когда ток в цепи минимален, а свечение полностью отсутствует, температуру нити накала можно считать комнатной. Поскольку при свечении лампы в полный накал температура нити очень высока, то для приблизительного подсчета температуры можно принять, что R0 – это значение сопротивления нити накала, которое будет получено в первом опыте. α – температурный коэффициент сопротивления, для вольфрама α=0,0045 град-1. На основе этого допущения температура рассчитывается по формуле:

.

Измерения, полученные в ходе эксперимента, были занесены в таблицу:

№ измерения	U,В	Uл, В	I=U/R,А	Rл=Uл/I,Ом	tл, град
1	0,36	0,0283	0,0566	6,36	0,00000
2	0,66	0,0353	0,0706	9,35	107,19577
3	0,92	0,0412	0,0824	11,17	167,86528
4	1,17	0,0462	0,0924	12,66	220,17797
5	2,03	0,0615	0,123	16,5	354,40128

Таблица 1. Измерения в практической работе

Для проведения быстрых расчетов и построения графика зависимости сопротивления R от температуры t была написана программа на языке FreePascal в свободно распространяемой системе программирования Lazarus.

Язык программирования FreePascal ведет свое начало от классического языка Pascal, который был разработан в конце 60-х годов XX века Н. Виртом. Он разрабатывал этот язык как учебный язык для своих студентов. С тех пор Pascal, сохранив простоту и структуру языка, разработанного Н. Виртом, превратился в мощное средство программирования. С помощью современного языка Pascal можно производить простые расчеты, разрабатывать программы для проведения сложных инженерных и экономических вычислений. Вместе с тем за использование компиляторов FreePascal студенту, школьнику и преподавателю не придется платить.

Lazarus – это среда визуального программирования. Здесь программист получает возможность не просто создавать программный код, но и наглядно (визуально) показывать системе, что бы он хотел увидеть. Технология визуального программирования позволяет строить интерфейс будущей программы из специальных компонентов, реализующих нужные свойства. Количество таких компонентов достаточно велико. Каждый из них содержит готовый программный код и все необходимые для работы данные, что избавляет программиста от создания того, что уже создано ранее.

Среда визуального программирования Lazarus сочетает в себе компилятор, объектно-ориентированные средства визуального программирования и различные технологии, облегчающие и ускоряющие создание программы.

В своей программе мы использовали компоненты: формы (TForm), меню (TMainMenu), таблицу (TStringGrid), изображения (TImage), кнопки (TBitBtn, TButton), область с полосой прокрутки (TScrollBox), метки (TLabel), группу переключателей (TRadioGroup), кнопки опций (TRadioButton), текстовые поля (TEdit).

На главной форме программы проводятся необходимые вычисления и строится график зависимости R(t). Данные измерений и вычислений заносятся в одномерные массивы. Для построения графика зависимости R(t) использовались графические процедуры MoveTo(x, y) (перемещает указатель текущей точки в точку с указанной координатой), LineTo(x, y) (вычерчивает линию из текущей точки в точку с указанной координатой), TextOut(x, y,s) (выводит строку s в точку с указанной координатой).

Рисунок 2. Интерфейс главного окна программы

С помощью меню «Дополнительно» можно открыть окна с инструкцией к практической работе, схемой опыта, а также окно с проверочной работой по рассматриваемой теме.

Рисунок 3. Окна с инструкций, схемой и проверочной работой

Программа разрешает вводить только числовые значения, а также проверяет наличие всех необходимых исходных данных для проведения расчетов и проверки знаний по теме.

Список источников информации

1.  , , Кучер по программированию на FreePascal и Lazarus. – Донецк.: ДонНТУ, Технопарк ДонНТУ УНИТЕХ, 2009.

2.  Delphi в задачах и примерах. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006.

3.  , , Слободсков : Электродинамика. 10-11 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. – 3-е издание, стереотип. – М.: Дрофа, 2001.