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关于计算辅助物理教学仿真模拟方法

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计算机辅助物理教学 计算机辅助教学 物理模拟仿真
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关于计算辅助物理教学 ——仿真模拟方法 宁波市教育局教研室 董克剑 11年苏州年会 理论+实验+仿真 内容 实际的世界+虚拟的世界 计算物理+计算机辅助+仿真模拟 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 什么是计算机辅助物理教学? 计算物理 计算机辅助物理 仿真模拟 课程教学 方法 n 什么是计算物理? n 为什么要学计算物理? n 如何学习计算物理? © 2008zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 《计算物理》征稿:在物理学相关领域内 ,凡从事物理建模和计算方法研究,并应 用高性能计算机获得计算结果的工作,均 属投稿范围。 © 2008zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 例1:两个液滴的下落碰撞 例2:溃坝时的水流冲击 © 2008zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 例1:两个水滴下落碰撞 © 2008zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 例1:两个水滴下落碰撞 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 怎样开展计算机辅助物理教学? n 信息技术与物理教学的整合。 n 网络环境下的教学模式 n 传感器在物理教学中的应用 n 软件的再开发和利用 n 对于一个物理教师来说,掌握必要的计算物理学知识和 手段已变得越来越重要。 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 一些仿真例子 n 算盘、计算器、ENIAC n 中华医学经典《黄帝内经》的“经络”概念及针灸疗法,把人体 抽象成生物网络模型。祖先把人体经络图绘在墙上,刻在石 头上,它是人体系统的最早物理仿真 n 飞机、航空模型、飞行模拟器 n 生命起源实验 n 有关核废料的处理 n 美国的“撞慧”工程以及“登月”工程,都是在没有实践条件下完 成的。 n “9.11”事件恐怖分子就是通过飞机模拟器学习开飞机,然后去 撞世贸大楼的。 n 波音777没有生产样机就开始销售了。 n 美国核试验停止了,利用仿真手段解决这个问题。 n 我国“神州”及“登月”都没有做生物试验。 n 宇宙大爆炸理论(霍金的理论),先有计算机模拟,后被观 察所证明(哈勃) n 关于仿真模拟 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 超级计算机模拟两个黑洞的碰撞 n 关于仿真模拟 德国和美国科学家首次模拟出大小不一的两个黑洞剧烈 碰撞的过程,这一成果对实际探测黑洞碰撞发散出的引力波 具有重要价值,计算机模拟是研究黑洞特性的主要途径。 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 早期宇宙的模拟 n 关于仿真模拟 稠密的暗物质或普通物质处于波动状态之中。 美国伊利诺伊州“阿贡国家实验室”“尤里卡”超级计算上实验。 耗时400万CPU小时。 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 太阳黑子的模拟 n 关于仿真模拟 太阳黑子是一种强烈的磁场活 动。此砸模拟实验是基于美国国家 大气研究中心的“蓝火”超级计算机 运行的,可用的观察数据来自于地 面和太空基础的望运镜。 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 夸克与反夸克的模拟 n 关于仿真模拟 通过超级计算模拟夸克与反夸克的粘结强度实验 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 圆孔衍射的模拟 n 关于仿真模拟 这是我在MALTAB下的模拟,所用 的是白光,缝宽及孔径设为0.04mm。 可与实验结果对比。 n 单缝衍射的模拟 理论、实验、仿真三者的关系 n 理论是从对事实的推测、演绎、抽象或综合而 得出的评价、看法、提法或程式。 n 实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以 观测。具体地说是人们根据研究目的,利用科 学仪器和设备,人为地控制或模拟自然现象, 排除干扰,突出主要因素,在有利的条件下研 究自然规律。 n 仿真是用一个人造的系统去模仿一个真实或设 想的系统行为,以对其进行研究。 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 模拟仿真 理论分析 科学实验 理论偏重于演绎模式,实验偏重于归纳的模 式,仿真提供了一种虚拟实验环境,很好填补理 论和实验两套方法都达不到的地方。 举例 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n 如何进行计算机辅助物理教学? 分类举例 数学工具Matlab Mathcad、 Mathematica、 几何画板 物理平台仿真物理实验实验 室 其它Microsoft Math、 webtop PHET、 easy java simulation、 虚拟拟示波器 工具、网站 n Mathematica n Mathcad n Matlab n 仿真物理实验室 n Math3.0 n Webtop6.0 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. n http://www.eedduu.com n http://www. Wolfram.com n http://www.mathwork.com n http://www.PTC.com n http://www.phet.com n http://www.phy.ntnu.edu.tw n http://webtop,msstste.edu n http://www.opensourcephysics.org n http://www.eclipe.org n http://www.nrcce.com 仿真模拟的目的1 n 给(学生)提供一个“做”物理的工具 n 给学生一个机会,以更深入地理解所学的物理知识 n 鼓励学生“发现”物理,进行研究性学习 n 介绍计算机方法,这些方法可应用于学习新的物理领域 n 可以解决更宽领域的例子 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 仿真模拟的目的2 n 展示情景 n 动画过程 n 进行探究 n 模拟实验 n 习题解答 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 计算机仿真模拟实例 n 常用软件介绍 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 利用仿真物理实验室 利用MATLAB软件 利用微软MATH2007 计算机仿真模拟实例 n 计算机的方法 n 波的产生和传播 n MATLAB进行模拟 n 利用仿真物理实验室模拟 (1)、 (2)、 n 新教材中的研究方法 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 一些设想: n 计算物理的教材 n 模拟—应用—拓展习题 n 数字化实验平台应用 n 物理问题动画集 n 更多教学案例 © 2008 zxwl.nbedu.net.cn. All rights reserved. 2011-10-12 二篇文章: n 仿真模拟在中学物理中的应用 n 利用MATLAB模拟光的干涉和衍射现象 •仿真模拟古已有之 •计算方法无处不在 •仿真模拟应该成为一种研究方法 •中学物理教学中应该利用仿真模拟
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