Исследовательская работа «Исследование информационных моделей в среде Visual Basic»

Цель: Использование среды Visual Basic для визуализации исследовательских задач и процессов Задачи: Изучить среду Visual Basic; Изучить среду Visual Basic; Подобрать задачи исследовательского характера для визуализации экспериментального процесса; Подобрать задачи исследовательского характера для визуализации экспериментального процесса; Разработать программы и исследовать информационные процессы; Разработать программы и исследовать информационные процессы; Продемонстрировать полученные модели исследовательских задач на уроках физики. Продемонстрировать полученные модели исследовательских задач на уроках физики. Ход работы: Собрать необходимую литературу для эксперимента; Собрать необходимую литературу для эксперимента; Изучить среду Visual Basic (графический интерфейс, свойства, функции, основные логарифмические конструкции,, основные объекты управления); Изучить среду Visual Basic (графический интерфейс, свойства, функции, основные логарифмические конструкции,, основные объекты управления); Подобрать задачи исследовательского характера для визуализации экспериментального процесса; Подобрать задачи исследовательского характера для визуализации экспериментального процесса; Построить математические модели исследуемых процессов; Построить математические модели исследуемых процессов; Разработать алгоритмы задач; Разработать алгоритмы задач; Написать коды программ на языке Visual Basic исследуемых задач; Написать коды программ на языке Visual Basic исследуемых задач; Протестировать программы; Протестировать программы; Проанализировать полученные результаты; Проанализировать полученные результаты; Продемонстрировать полученные модели исследовательских задач на уроках физики. Продемонстрировать полученные модели исследовательских задач на уроках физики.

Актуальность Visual Basic; (VB) - это среда разработки программ, которая позволяет быстро и легко создавать приложения (прикладные программы) для Windows. В нее включено все, что необходимо для создания, модификации, тестирования, корректирования и компиляции программ. Visual Basic - это полноценный язык программирования высокого уровня. Visual Basic; (VB) - это среда разработки программ, которая позволяет быстро и легко создавать приложения (прикладные программы) для Windows. В нее включено все, что необходимо для создания, модификации, тестирования, корректирования и компиляции программ. Visual Basic - это полноценный язык программирования высокого уровня. Слово Visual - «визуальный», «наглядный» - означает способ разработки пользовательского интерфейса программы. Слово Basic - «основной» - описывает тип программного кода, который создаете. Слово Visual - «визуальный», «наглядный» - означает способ разработки пользовательского интерфейса программы. Слово Basic - «основной» - описывает тип программного кода, который создаете. Но главное то, что с помощью среды Visual Basic можно создавать программы, которые помогают «увидеть» исследуемые процессы и наглядно поэкспериментировать с ними Но главное то, что с помощью среды Visual Basic можно создавать программы, которые помогают «увидеть» исследуемые процессы и наглядно поэкспериментировать с ними

Теоретические основы моделирования Тема «Компьютерное моделирование в Visual Basic» посвящена той из компьютерных технологий обработки информации, ради которой когда-то создали первую ЭВМ и ради которой сегодня в значительной мере создают супер-ЭВМ, - решению прикладных научно-технических задач, среди которых задачи математического моделирования составляют видную долю. Тема «Компьютерное моделирование в Visual Basic» посвящена той из компьютерных технологий обработки информации, ради которой когда-то создали первую ЭВМ и ради которой сегодня в значительной мере создают супер-ЭВМ, - решению прикладных научно-технических задач, среди которых задачи математического моделирования составляют видную долю.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода. Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.

Мы предлагаем к рассмотрению математические компьютерные модели (разновидность абстрактных моделей). Данный вид моделей выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других математических средств, инструментом моделирования выступает компьютер, если более точно, система программирования Visual Basic. Компьютерные математические модели дают широкие возможности представить изучаемые процессы наглядно с различных сторон, а также способствуют углубленному их пониманию. Но самым замечательным является то, что кроме создания простых моделей, адекватных некоторым сложным процессам, можно еще и управлять моделирующими процессами (интерактивные модели). Мы предлагаем к рассмотрению математические компьютерные модели (разновидность абстрактных моделей). Данный вид моделей выражает существенные черты объекта или процесса языком уравнений и других математических средств, инструментом моделирования выступает компьютер, если более точно, система программирования Visual Basic. Компьютерные математические модели дают широкие возможности представить изучаемые процессы наглядно с различных сторон, а также способствуют углубленному их пониманию. Но самым замечательным является то, что кроме создания простых моделей, адекватных некоторым сложным процессам, можно еще и управлять моделирующими процессами (интерактивные модели).

Этапы компьютерного моделирования Определение целей моделирования Огрубление объекта (процесса) Поиск математического описания Исходный объект (процесс) Конец работы Анализ результатов Математическая модель Уточнение модели Выбор метода исследования Разработка алгоритма и программы для ЭВМ Расчеты на ЭВМОтладка и тестирование программы

Некоторые приемы программирования для визуализации результатов моделирования Геометрические модели Пространственные соотношения между реальными объектами (положение и ориентация объектов в пространстве и их размеры) изучаются с помощью геометрических моделей. Для визуализации геометрических моделей используются идеализированные геометрические объекты (точка, линия, плоскость...). С помощью таких моделей можно решать задачи вида: изучение хода луча в линзе с заданными характеристиками; изучение условий образования теней и полутеней и другие. Пространственные соотношения между реальными объектами (положение и ориентация объектов в пространстве и их размеры) изучаются с помощью геометрических моделей. Для визуализации геометрических моделей используются идеализированные геометрические объекты (точка, линия, плоскость...). С помощью таких моделей можно решать задачи вида: изучение хода луча в линзе с заданными характеристиками; изучение условий образования теней и полутеней и другие.

III. Исследование информационных моделей среды Visual Basic физических задач Задание 1. Визуализировать процесс преломления света при переходе из одной среды в другую. Задание 1. Визуализировать процесс преломления света при переходе из одной среды в другую. В самой постановке задачи сформулирована цель моделирования: визуализация процесса преломления света. В самой постановке задачи сформулирована цель моделирования: визуализация процесса преломления света.

Теоретические основы преломления света Закон преломления света: Закон преломления света: 1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в 1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости. точку падения луча, лежат в одной плоскости. 2. Действует следующее математическое отношение: 2. Действует следующее математическое отношение: где а,b- угол падения и преломления соответственно, n1,n2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред, n21- относительный показатель преломления. где а,b- угол падения и преломления соответственно, n1,n2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред, n21- относительный показатель преломления.

ПрограммаПрограмма 1

Траектории движения тел, графики В ряде задач компьютерного моделирования уместно иллюстрировать процесс моделирования изображениями движущихся объектов и их траекториями. Мы сознательно ограничивались случаями плоских (двумерных) движений, которые легко отобразить на плоском экране компьютера. В ряде задач компьютерного моделирования уместно иллюстрировать процесс моделирования изображениями движущихся объектов и их траекториями. Мы сознательно ограничивались случаями плоских (двумерных) движений, которые легко отобразить на плоском экране компьютера.

Задание 2. Изучить движение тела, брошенного под углом к горизонту, при отсутствии сопротивления воздуха. Задание 2. Изучить движение тела, брошенного под углом к горизонту, при отсутствии сопротивления воздуха. Цели моделирования сформулируем следующими вопросами: Какой вид траектория тела, брошенного под углом к горизонту? Как изменяет скорость во время полета? Цели моделирования сформулируем следующими вопросами: Какой вид траектория тела, брошенного под углом к горизонту? Как изменяет скорость во время полета?

Теоретическое описание исследуемой модели Траектория движения тела будет описываться следующими формулами: Sx=v0*cos α*t ; Sx=v0*cos α*t ; Sy=v0*sin α*t ; Sy=v0*sin α*t ; Где Sx – перемещение вдоль оси х, Sу – перемещение вдоль оси у в момент времени t, а - угол бросания относительно оси х. Где Sx – перемещение вдоль оси х, Sу – перемещение вдоль оси у в момент времени t, а - угол бросания относительно оси х. Зная координаты тела в любой момент времени, будем точкой отображать положение тела через равные промежутки времени. Т.о., будет понятен характер изменения скорости движения и вид траектории. Зная координаты тела в любой момент времени, будем точкой отображать положение тела через равные промежутки времени. Т.о., будет понятен характер изменения скорости движения и вид траектории.

Программа 2

Задание 3. С какой скоростью и под каким углом нужно бросить мяч, чтобы он попал в площадку, размером 1 метр, лежащую на расстоянии десяти метров от точки бросания? Программа 3

Изолинии В задачах моделирования существует достаточно стандартная проблема – построения линий (поверхностей), вдоль которых некоторая функция имеет одинаковое значение, называемых изолиниями (изоповерхностями). В задачах моделирования существует достаточно стандартная проблема – построения линий (поверхностей), вдоль которых некоторая функция имеет одинаковое значение, называемых изолиниями (изоповерхностями).

Задание 4. Построить эквипотенциальные линии электростатического поля, созданного двумя зарядами. Теоретическое описание исследуемой модели. Теоретическое описание исследуемой модели. Для построения эквипотенциальных линий поля, созданного системой зарядов, можно воспользоваться принципом суперпозиции: потенциалы полей, созданные разными зарядами, алгебраически складываются. Поскольку потенциал поля, созданный зарядом q на расстоянии r от него, равен, легко определить pезультирующий потенциал в любой точке. Для построения эквипотенциальных линий поля, созданного системой зарядов, можно воспользоваться принципом суперпозиции: потенциалы полей, созданные разными зарядами, алгебраически складываются. Поскольку потенциал поля, созданный зарядом q на расстоянии r от него, равен, легко определить pезультирующий потенциал в любой точке.

Программа 4

Моделирование движения точки, совершающей колебания по оси Х и У (построение фигур Лиссажу) Задание 5 Изучить траекторию точки, совершающей колебания по осям х и у. Цель моделирования заключается в построении фигур Лиссажу. Задание 5 Изучить траекторию точки, совершающей колебания по осям х и у. Цель моделирования заключается в построении фигур Лиссажу.

Теоретическое описание модели. Пусть материальная точка совершает колебания как вдоль оси х, так и вдоль перпендикулярной ей оси у. Если возбудить оба колебания, точка будет двигаться по некоторой криволинейной траектории, форма которой зависит от разности начальных фаз, соотношения амплитуд и частот складываемых колебаний. Такое движение определяется системой уравнений в параметрической форме: Пусть материальная точка совершает колебания как вдоль оси х, так и вдоль перпендикулярной ей оси у. Если возбудить оба колебания, точка будет двигаться по некоторой криволинейной траектории, форма которой зависит от разности начальных фаз, соотношения амплитуд и частот складываемых колебаний. Такое движение определяется системой уравнений в параметрической форме: Такие траектории точки, одновременно совершающей гармонические колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, называются фигурами Лиссажу. Такие траектории точки, одновременно совершающей гармонические колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, называются фигурами Лиссажу.

Программа 5

Анализ полученных результатов Разработанные программы помогли «увидеть» исследуемые процессы и поэкспериментировать с ними при различных начальных данных. Разработанные программы помогли «увидеть» исследуемые процессы и поэкспериментировать с ними при различных начальных данных. Математическое моделирование является быстро развивающейся областью науки и техники. Среда визуального программирования Visual Basic является идеальным средством для построения и изучения моделей из-за простой реализации основных конструкций, доступного интерфейса. Математическое моделирование является быстро развивающейся областью науки и техники. Среда визуального программирования Visual Basic является идеальным средством для построения и изучения моделей из-за простой реализации основных конструкций, доступного интерфейса. Программа Visual Basic это инструмент компьютерного математического моделирования. В нашей работе примеры процессов взяты из раздела общего курса физики, поэтому она будет интересна учителям физики и учащимся профильной школы, желающим углубить и расширить содержание предмета за счет введения такого метода изучения физики, как компьютерное моделирование, а также учителям информатики при изучении среды Visual Basic. Программа Visual Basic это инструмент компьютерного математического моделирования. В нашей работе примеры процессов взяты из раздела общего курса физики, поэтому она будет интересна учителям физики и учащимся профильной школы, желающим углубить и расширить содержание предмета за счет введения такого метода изучения физики, как компьютерное моделирование, а также учителям информатики при изучении среды Visual Basic.