150009 (732545)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

ш2.0

- 1 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ст.

1. Введение.................................................3

а) Актуальность темы дипломной работы...................3

б) Цели работы..........................................4

в) Научная новизна результатов дипломной работы.........4

г) Научная и практическая ценность......................5

д) Вклад автора.........................................5

е) Реализация...........................................5

ж) Апробация и публикации...............................6

з) Краткое содержание и структура......................6

Глава 1. Физические основы исследуемых процессов............8

1.1 Электрический колебательный контур................8

1.2 Опыт Милликена...................................11

1.3 Скин-эффект в цилиндрической геометрии...........16

1.4 Скин-эффект в плоской геометрии..................26

Глава 2. Математические методы исследования физических

процессов........................................31

2.1 Типы задач для обыкновенных дифференциальных

уравнений........................................31

2.2 Задача Коши.(Метод Рунге-Кутты 2-го порядка).....34

2.3 Метод Рунге-Кутты 4 порядка......................37

2.4 Краткие сведения о функциях Бесселя..............42

2.5 Краткие сведения о функциях Кельвина.............46

- 2 -

Глава 3. Использование ЭВМ в учебном процессе..............48

3.1 Роль ЭВМ в обучении физики.......................48

3.2 Методы использования ЭВМ в обучении..............51

3.3 Моделирование физических процессов на ЭВМ........53

3.4 Краткое описание программ........................55

Заключение.................................................56

Приложения.................................................57

Литература.................................................66

ш2.0

- 3 -

2Введение

_ 1Актуальность темы дипломной работы

Дипломная работа посвящена разработке демонстрационных прог-

рамм для применения в процессе преподавания физики как в школах и

среднеспециальных учебных заведениях, так и в высших учебных за-

ведениях.

Насыщенность школ современной вычислительной техникой еще не

приводит к большим переменам в образовании, если учитель не под-

готовлен ни психологически, ни профессионально к внедрению ЭВМ в

его жизнь.

В настоящее время накоплен большой опыт применения вычисли-

тельной техники в физических исследованиях, выработаны общие ме-

тодические подходы решения основных физических проблем и можно

констатировать факт, что сложился новый предмет - вычислительная

физика, которая составной частью современной физики наряду с об-

щей физикой и теоретической физикой и входит в стандарт образова-

ния по физики.

Основным методом исследования вычислительной физики является

компьютерный эксперимент, теоретической базой которого служит ма-

тематическое моделирование, а экспериментальной базой - ЭВМ.

Компьютерное моделирование интегрирует такие предметы, как

теоретическая физика, численный анализ и программирование.

На сегодняшний день в процессе преподавания физики очень мно-

гие важные явления и опыты не могут быть реализованы в виде де-

монстраций в силу их сложности, а их объяснение требует от препо-

давателя больших "художественных возможностей". Именно поэтому

- 4 -

появилась тенденция создания компьютерных программ для моделиро-

вания подобных процессов [1-7]. Теперь преподаватель, заранее по-

добрав исходные данные, может по ходу объяснения демонстрировать

все возможные варианты развития процесса не затрачивая массу вре-

мени на приемлемое изображение установки, самого эксперимента,

сопутствующих графиков.

Кроме того, такие программы могут быть также 2 0 использованы в

лабораторном практикуме с дополнительными заданиями разного уров-

ня сложности, а в совокупности с прилагаемыми описаниями и для

самостоятельного изучения материала.

_ 1Целями дипломной работы являлись

- исследование моделируемых процессов на предмет получения

конечных аналитических решений, пригодных для создания на их ос-

нове демонстрационных программ, а в случае их отсутствия построе-

ние алгоритмов решения на основе численных методов;

- создание демонстрационных программ на основе полученных ре-

шений;

- создания лабораторных работ на основе разработанных прог-

рамм и ряда разноуровневых заданий к ним;

- апробация созданных лабораторных работ 2 0на 2 0 физическом фа-

культете ТГПУ им. Л. Н. Толстого в курсе методики преподавания

физики;

_ 1Научная новизна результатов дипломной работы

В работе впервые:

- Созданы демонстрационные программы для моделирования: про-

цессов в электрическом колебательном контуре, опыта Милликена,

- 5 -

скин-эффекта;

- Для скин-эффекта получено решение в виде комбинации функций

Кельвина;

- Показана роль фазового дополнительного слагаемого в решении

для скин-эффекта;

- Показано, что в электрическом колебательном контуре на гра-

фике зависимости энергии от времени существуют плато, соответс-

твующее нулевому току и проведена аналогия с механическими коле-

баниями;

_ 1Научная и практическая ценность

В работе проведен теоретический анализ исследуемых процессов

и создан ряд моделирующих программ.

Как теоретические результаты, так и компьютерные программы

дипломной работы могут быть использованы в процессе преподавания

физики в различных учебных заведениях и при самостоятельном изу-

чении данного материала.

_ 1Вклад автора

В работах, результаты которых выносятся на защиту и выполнен-

ных совместно с научным руководителем, автором внесен должный

вклад в постановку задач, выбор методов исследования, теоретичес-

кий анализ, выбор методов реализации и интерпретацию результатов.

_ 1Реализация результатов работы

Полученные в результате теоретического анализа аналитические

решения были реализованы автором в виде демонстрационных программ

для машин класса IBM PC/AT и совместимых, работающих под управле-

- 6 -

нием:

- MS-DOC версии 5.0 и последующих;

- MS-WINDOWS версий 3.1 и 3.11 (RUS).

Программы реализованы с помощью компиляторов:

- Turbo Pascal 6.0;

- Turbo Pascal 7.0;

и при использовании графических пакетов:

- BGI (Borland International)

- Дизайнер.

Демонстрационные программы используются в курсе преподава-

ния физики на физическом факультете ТГПУ им. Л.Н.Толстого и могут

быть использованы в других учебных заведениях.

_ 1Апробация и публикации . 0

Основные результаты докладывались опубликованы в тезисах док-

ладов 3 Всероссийского (с участием стран СНГ) совещания-семинара

"Применение средств вычислительной техники в учебном процессе", изд-во

УГТУ, Ульяновск 1995 г. [23]

Материалы работы докладывались и обсуждались также на студен-

ческих научных конференциях в ТГПУ [24].

_ 1Краткое содержание и структура

Структура. Дипломная работа состоит из введения, трех глав,

приложения, заключения, содержит 55 страниц машинописного текста,

12 рисунков, список цитируемой литературы включает 24 наименова-

ния.

Во _Введении . обосновывается актуальность работы, формулируется

ее цель, излагается краткое содержание работы по главам и пере-

- 7 -

числяются результаты, являющиеся новыми. Кроме того говорится о

реализации и апробации проделанной работы.

_Глава 1 . дипломной работы посвящена теоретическому исследова-

нию моделируемых процессов.

_Глава 2 . посвящена описанию математических методов, необходи-

мых для теоретического исследования и моделирования.

В _ Главе 3 . рассматриваются методические вопросы, касающиеся

как применения ЭВМ в учебном процессе в целом, так и конкретно

применение разработанных программ.

_Заключение . посвящено подведению итогов проделанной работы.

В _ Приложении . приводятся необходимые схемы, рисунки и графики.

ш2.0

- 8 -

_ 2Глава 1

1Физические основы исследуемых процессов

1 0 11.1 0 1Электрический колебательный контур.

Рассмотрим электрический колебательный контур, состоящий, в

общем случае, из конденсатора C, катушки индуктивности L и сопро-

тивления нагрузки R (см. рис. 1). Процессы происходящие в такой

системе описываются дифференциальным уравнением вида:

Ф-

ш1.0

d 52 0q 7 0 dq

───── + 2 7d 0──── + 7 w 40 52 0q = 0 (1.1.1)

dt 52 0 7 0 dt

где

R 1 dq

2 7d 0= 7 0─── ; 7 w 40 52 0 = ──── ; I = - ──── .

L LC dt

Начальные условия: q│ =q 40 0 ; I│ =I 40 0.

│t=0 4 0 │t=0

Энергия колебательного контура определяется выражением:

q 52 0 LI 52

W = ──── + ─────. (1.1.2)

2C 2

ш2.0

Ф+

Это обыкновенное линейное дифференциальное уравнение второго

порядка с постоянными коэффициентами. Колебания, описываемые ли-

нейными дифференциальными уравнениями, называются линейными ко-

лебаниями, а соответствующие колебательные системы - линейными

- 9 -

ш1.0

системами. Уравнение (1.1.1) имеет следующие решения[18]:

Ф-

ш1.0

7|\\\\\\\\\

1) 7 w 40 0 > 7d 4 , 7 W 0 = 7? w 40 52 7 0+ 7d 52 0 - слабое затухание

4- 7в 4t 7 0 7d

q = e 4 0(A Cos( 7W 0t) + B Sin( 7W 0t)); A=q 40 0;B= ─── q 40;

7W

4- 7в 4t 0 4- 7в 4t

q'= - 7d 0e 4 0(A Cos( 7W 0t) + B Sin( 7W 0t))+ e 4 0(A 7W 0Cos( 7W 0t) + B 7W 0Sin( 7W 0t))

7|\\\\\\\\

7/ 0 7d 52 4 - 7в 4t

q=q 40 7 / 0 1+ ──── e 7 0Cos( 7W 0t- 7f 40 0); (1.1.3)

7? 0 7W 52

7d

где tg 7f 40 0 = ─── - сдвиг фаз;

7W

7( 0 7d 52 0 7) 4- 7в 4t

I = q 40 7* 01 + 7 0──── 78 0 7W 0e 7 0Sin( 7W 0t) (1.1.4)

79 0 7W 52 0 70

Частный случай: R=0 и 7d 0=0 (гармонические колебания)

q = q 40 0Cos( 7w 40 0t) (1.1.5)

I = q 40 7w 40 0Sin( 7w 40 0t) (1.1.6)

2) Критический режим: 7 цw 40 0= 7d

1 R 52 0 4L

──── = ───── 5 ═════ 0> R 52 0 = ────

LC 4L 52 0 C

4- 7в 4t

q = q 40 0e 7 0( 7d 0t + 1) (1.1.7)

4- 7в 4t

I = q 40 0e 7 d 52 0t (1.1.8)

- 10 -

ш1.0

3) Сильное затухание:

q 52 7 ( 0 7 0(- 7d 0+ 7W 0)t 7 0 7 0(- 7d 0- 7W 0)t 7)

q = ──── 7 * 0( 7W 0 + 7d 0)e 7 0 7 0 + ( 7W 0 - 7d 0)e 7 0 7 0 7 8 0 (1.1.9)

2 7W 9 0 70

q 52 7w 40 52 0 7( 0(- 7d 0+ 7W 0)t 7 0(- 7d 0- 7W 0)t 7)

I = ─────── 7 * 0e 7 0 7 0 + e 7 0 7 0 7 8 0 (1.1.10)

2 7W 0 79 0 70

ш2.0

На рис. 12 показаны зависимости q(t), I(t), W(t), причем на

последней хорошо заметно _плато ., соответствующие нулевому току,

при котором в системе не происходит потерь энергии.

ш2.0

- 11 -

1 0 11.2 Опыт Милликена по определению заряда электрона.

Роберт Эндрюс Милликен (1868-1953) - американский физик (с

1924 года член-корреспондент АН СССР). Получил широкую извест-

ность за ряд опытов, направленных на установление дискретности

электрического заряда и определение заряда электрона с высокой

точностью. За эту работу в 1923 году удостоен Нобелевской премии.

Также известны его работы, направленные на экспериментальное

подтверждение квантовой теории фотоэффекта А.Эйнштейна и работы

по определению численного значения постоянной Планка.

Классические опыты Милликена направлены на прямое доказатель-

ство дискретности электрического заряда и определение элементар-

ного электрического заряда.

Экспериментальный метод , примененный Милликеном , заключался

в непосредственном измерении заряда очень маленьких капелек мас-

ла[14,19].Представим себе такую капельку между обкладками гори-

зонтально расположенного конденсатора(рис.2).Если к пластинам

конденсатора не приложено напряжение , то капля будет свободно

падать. Вследствие малых размеров капля будет падать равномерно ,

так как ее вес уравновешивается силой сопротивления воздуха , оп-

ределяемой законом Стокса , и силой Архимеда.

Ф-

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов реферата