Методика преподавания информатики (стр. 96 )

При моделировании движения тел эффективным методическим приемом является обезразмеривание величин, входящих в математическую модель. Обезразмеривание заключается в том, что вместо абсолютных единиц системы СИ (или какой-либо другой) переходят к относительным единицам, естественным именно для данного движения. При этом существенно их правильно выбрать. Например, при изучении движения тела, брошенного под углом к горизонту, при отсутствии сопротивления среды легко получить выражения для дальности полета по горизонтали L, максимальной высоты полета H, полного времени полета Т (отсылаем к школьным учебникам физики). Введем новые переменные для скорости, перемещения и времени. Будем измерять х - и у-компоненты скорости относительно ее начального значения, перемещение в горизонтальном направлении — относительно L, в вертикальном — относительно H, время — относительно Т. Это означает введение новых переменных, которые обозначим так:

Переходя в дифференциальных уравнениях модели к новым переменным, получаем в них безразмерные комбинации параметров, определяющих закономерности движения.

Смысл этой деятельности заключается в следующем. Во-первых, следует подчеркивать большую естественность в использовании относительных (безразмерных) единиц измерения физических величин, нежели абсолютных. Диапазон значений безразмерных величин неширок, в данной задаче, очевидно, что в любой момент времени в ходе движения тела Vx, Vy, X, Y, τ < 1. Это удобно, особенно при решении задач, в которых значения (размерных) переменных изображаются очень малыми или очень большими числами. Получив, например, в какой-то момент значение Х = 0,3, мы понимаем, что это составляет 0,3 от максимального движения по горизонтали в отсутствие трения, т. е. всякий раз чувствуем смысл, чего не скажешь, получив, например, значение х = 26 м/с.

Важнейшая роль обезразмеривания — установление законов подобия. У изучаемого движения есть множество вариантов, определяемых наборами значений параметров, входящих в исходные уравнения или являющихся для них начальными условиями. После обезразмеривания переменных появляются безразмерные комбинации параметров, фактически определяющие характер движения. Если изучаются два разных движения с разными размерными параметрами, но такие, что значения безразмерных параметров одинаковы, то движения будут качественно одинаковы (подобны). Число таких комбинаций обычно меньше числа размерных параметров, что тоже создает удобство при полном численном исследовании всевозможных ситуаций, связанных с этим процессом.

Сделаем оговорку: обезразмеривание — полезный методический прием. Однако если учащиеся испытывают трудности с его пониманием и использованием, настаивать на этом необязательно; те же по существу результаты можно получить и при использовании уравнений в размерных переменных.

Моделирование колебательных движений. В этой и в последующих обсуждаемых моделях практически откажемся от записи формул; математические формулировки можно найти в указанной ниже литературе (например, пособиях [5, 8]).

Колебательные изменения значений величин встречаются в естественных (природных и общественных) и искусственных (технических) системах столь часто, что, несомненно, заслуживают внимания при изучении компьютерного математического моделирования.

По традиции изучение колебательного движения чаще всего начинается с так называемого математического маятника — идеализированной системы, состоящей из тела массы т, прикрепленного к концу жесткого «невесомого» стержня длиной l, верхний конец которого вращается без трения в точке подвеса. Поскольку его движение при малых амплитудах описано в школьных учебниках физики и полностью поддается исследованию аналитически, без привлечения компьютера и численных методов, то методически целесообразно, отметив указанное выше обстоятельство и напомнив учащимся основные результаты, связанные с малыми (гармоническими) колебаниями (для удобства эти формулы приведены ниже), перейти к рассмотрению модели движения математического маятника при произвольном (не малом) начальном угле отклонения.

Процедура вывода уравнения движения маятника описана во многих руководствах. Процесс описывается либо в дифференциальной, либо в конечно-разностной формах. Переменной, относительно которой записаны уравнения, является θ — угол отклонения нити от положения равновесия. В случае колебаний с малой амплитудой в одном из уравнений можно приближенно заменить sin(θ) наθ. Задача о малых колебаниях имеет простое аналитическое решение, приводимое в школьных учебниках физики. Приводим это решение (гармонические колебания) и обсуждаем его свойства.

Далее ставим задачу исследовать процесс колебаний математического маятника с немалой амплитудой. Она может включать ряд частных заданий; первым из них может быть установление зависимости периода колебаний от начальной амплитуды и его отклонение от периода малых колебаний.

Весьма интересным и полезным, с точки зрения развития учащихся и получения дополнительных знаний, может стать введение представлений о гармоническом анализе. Поскольку никакое регулярное введение в теорию рядов Фурье на этом этапе обучения не нужно и невозможно, то достаточно ограничиться примерно следующим подходом. Уточним еще раз, что такое периодическая функция, и развеем часто существующее заблуждение, что периодическая и гармоническая суть одно и то же. Приводим примеры периодических, но не гармонических зависимостей. Для того чтобы продемонстрировать учащимся, что такого рода зависимости могут быть аппроксимированы суммой простых тригонометрических функций, можно привести (без доказательства) соответствующие ряды и предложить просуммировать (с помощью ЭВМ) возрастающее число гармоник, наблюдая на экране, как сумма становится все ближе к исходной зависимости.

При немалых колебаниях движение маятника не является гармоническим, хотя и остается периодическим. Изучаемое периодическое движение при условии, что в начальный момент маятник имеет максимальное отклонение и нулевую скорость, можно представить суммой гармонических, что позволяет увидеть различия между малыми и произвольными колебаниями маятника, понять методику исследования колебательных движений.

Одним из первых заданий на пути такого исследования может быть следующее: ограничиваясь немногими членами ряда, исследовать зависимость амплитуд нескольких первых гармоник от начальной амплитуды колебаний. Поскольку формулы для коэффициентов Фурье учащимся незнакомы, то есть два пути: либо, при достаточно глубокой математической подготовке, «вывести» эти формулы (что представляется исключительным случаем), либо просто взять на кривой θ(t) несколько произвольных (примерно равноотстоящих) точек и привязать в них наблюдаемую зависимость, т. е., по существу, воспользоваться интерполяцией. Этот прием, не будучи строгим, тем не менее позволяет найти с достаточной для наших целей точностью амплитуды нескольких гармоник.

Дальнейшее моделирование колебаний математического маятника может включать в себя:

• колебания маятника при наличии трения;

• вынужденные колебания под действием периодической силы, изучение явлений биений и резонанса при приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебаний маятника;

• колебания маятника с периодически меняющейся длиной нити подвеса и параметрический резонанс.

Моделирование движения небесных тел. Указанное моделирование опирается на знания учащихся, почерпнутые при изучении закона всемирного тяготения. Оно позволяет углубить знания, связанные с движением тел Солнечной системы, элементами астрономии.

Тема начинается с рассмотрения модели движения космического тела (планеты, кометы, спутника) в гравитационном поле, создаваемом телом с многократно большей массой. Напомните учащимся физический закон, регулирующий данное движение, — закон всемирного тяготения; для моделирования существенна запись этого закона в векторной форме.

Важный методический (и содержательный) момент — выбор системы координат, в которой рассматривается движение. Если ее центр расположить произвольно, то возникает задача о движении двух взаимно тяготеющих тел с весьма сложными траекториями. Напомните учащимся, что исторически астрономы, начиная с Птолемея и включая Коперника, рассматривали движение относительно одного из тел (т. е., говоря более формально, в системе координат, связанной с этим телом). В системе Коперника такой системой координат при изучении Солнечной системы стало Солнце. Это резко упрощает задачу, позволяет заниматься изучением движения лишь одного из тел.

Процедура получения системы дифференциальных уравнений движения в указанной системе координат описана в ряде пособий (см., например, [5, 9]).

Следует обратить внимание учащихся на то, что в этой задаче особенно неудобно работать с размерными величинами, измеряемыми миллиардами метров, секунд и т. д. Для выбора типичных величин, с помощью которых естественно произвести обезразме-ривание, можно рассуждать так. При некоторых условиях, как известно, орбита движения «малого» небесного тела может быть круговой. Соотношения параметров, характеризующих эту круговую орбиту, нетрудно установить, так как при круговом движении сила тяготения играет роль центростремительной силы. Таким образом, достаточно произвольно выбрать один параметр — типичное расстояние, а для скорости и времени параметры для обезразмеривания тем самым найдены.

В качестве первой содержательной задачи можно рассмотреть движение небесных тел вокруг Солнца. Тогда в качестве типичного расстояния естественно принять характерное расстояние от Земли до Солнца (так называемая астрономическая единица). После обезразмеривания оказывается, что уравнения в безразмерных переменных вообще не содержат параметров! Единственное, что отличает режимы движения друг от друга — это начальные условия.

Вернемся к исследованию движения небесных тел в Солнечной системе. Учащиеся задают некоторые (возможно, произвольные) начальные условия и интегрируют уравнения. Первая цель — построить траекторию движения и поэкспериментировать, как она будет меняться при изменении начальных условий (например, скорости).