Поурочный план на тему Моделирование физических процессов

Тема урока: «Исследование физических моделей».
Цели урока:
Обучающие: Формирование теоретических и практических навыков построения и исследования физических моделей с использованием системы программирования Delphi и электронной таблицы Excel.
Развивающие: систематизация знаний, формирование творческого мышления, способности анализировать и сравнивать.
Воспитательные: формирование нравственных отношений между собой, умение слушать и уважение к старшим, дисциплине, соблюдение правил техники безопасности.
Оборудование:
класс с персональными компьютерами,
экран с проектором,
раздаточный материал (алгоритм выполнения задания в электронной таблице Excel),
демонстрационный материал (презентация в программе PowerPoint).
План урока
Организационная часть
Сообщение о начале урока
Взаимное приветствие
Постановка цели на урок
Основная часть
Активизация знаний и мотивация учащихся
Демонстрация и объяснение нового материала
Практическая работа учащихся
Заключительная часть
Оценка работ учащихся
Подведение итогов
Домашнее задание
Ход урока
Организационная часть
Сообщение о начале урока
Взаимное приветствие.
Постановка цели на урок
На предыдущих уроках вы уже познакомились с такими понятиями, как модель, моделирование, формализация. Вы уже знаете, для каких целей используют модели, и какие бывают модели. Сегодня мы продолжим наше знакомство с моделями и моделированием. А заниматься мы будем моделированием физического процесса, с которым вы уже знакомы из курса физики. Но перед тем как мы приступим к изучению нового материала, мне бы хотелось проверить, как вы усвоили предыдущий материал.
Основная часть.
Активизация знаний и мотивация учащихся
Ответьте на следующие вопросы:
Дайте определение понятию модель. (ответ: Модель - это некий новый объект, который отражает существенные признаки изучаемого объекта, явления, процесса.)Дайте определение понятию моделирование. (ответ: Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.)Может ли объект иметь несколько моделей? (ответ: Один и тот же объект может иметь множество моделей. Можно одну и ту же модель представить и с помощью среды программирования и с помощью электронной таблицы)Могут ли разные объекты описываться одной и той же моделью?(ответ: Разные объекты могут описываться одной моделью. (Равноускоренное движение характерно и для человека и для автомобиля и для самолета)
Какие бывают модели? (ответ: Все модели можно разбить на два больших класса: модели материальные и модели информационные (глобус – материальная, таблица Менделеева – информационная)
Что такое формализация? (ответ: Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы; пространственных соотношений между объектами – чертежи, моделей электрических цепей – электрические схемы, логических моделей устройств – логические схемы и так далее.
Назовите основные этапы разработки информационных моделей на компьютере. (ответ: Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:
Строится описательная модель
Строится формализованная модель
Преобразование формализованной информационной модели в компьютерную модель
Проведение компьютерного эксперимента
Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели)Демонстрация и объяснение нового материала
Итак, мы вспомнили основные понятия, связанные с моделированием и готовы к следующему этапу. На сегодняшнем уроке мы попытаемся создать различные модели одного итого же физического процесса.
Рассмотрим процесс построения и исследования модели на конкретном примере движения тела, брошенного под углом к горизонту.
Содержательная постановка задачи. В процессе тренировок теннисистов используются автоматы по бросанию мячика в определенное место площадки. Необходимо задать автомату необходимую скорость и угол бросания мячика для попадания в мишень определенного размера, находящуюся на известном расстоянии.
Качественная описательная модель. Сначала построим качественную описательную модель процесса движения тела с использованием физических объектов, понятий и законов, то есть в данном случае идеализированную модель движения объекта. Из условия задачи можно сформулировать следующие основные предположения:
мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой;
изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение свободного падения можно считать постоянной величиной g = 9,8 м/с2 и движение по оси OY можно считать равноускоренным;
скорость бросания тела мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь и движение по оси ОХ можно считать равномерным.
2947035179070Формальная модель. Для формализации модели обозначим величины:
v0 – начальная скорость мячика;
a – угол бросания мячика
h - высота стенки
s - расстояние до стенки
Используем известные из курса физики формулы равномерного и равноускоренного движения. При заданных начальной скорости vо и угле бросания, а значения координат дальности полета х и высоты у от времени можно описать следующими формулами:
х = v0 • cosa • t;
у = v0 • sina • t – g • t2/2.
Пусть мишень высотой h будет размещаться на расстоянии s от автомата. Из первой формулы выражаем время, которое понадобится мячику, чтобы преодолеть расстояние s:
t = s/(v0 • cosa).
Подставляем это значение для t в формулу для у. Получаем L— высоту мячика над землей на расстоянии s:L = s • tga - g •s2/(2 • v02 • cos2a).
Формализуем теперь условие попадания мячика в мишень. Попадание произойдет, если значение высоты L мячика будет удовлетворять условию в форме неравенства:
О <= L <= h.
Если L < 0, то это означает «недолет», а если L > h, то это означает «перелет».

Представим алгоритм решения в виде блок-схемы
НАЧАЛО
Ввод V0,,A,S,H
Вычисление
L по формуле
L<0
L>H
0≤L≤H
Вывод L
Вывод
траектории
КОНЕЦ
Недолет
Перелет
Попадание
Да
Да
Да
Нет
Нет
Нет

Компьютерная модель на языке Delphi. Преобразуем формальную модель в компьютерную с использованием системы программирования Borland Delphi.Создадим сначала графический интерфейс проекта как показано на рис 1. Макет - заготовка находится на FTP в папке TITOVA\Исследование ФМ.
69913519050
Рис. 1
Написать обработчики событий для кнопок «Бросок», «Далее», «Траектория». Обработчик кнопки «Бросок» (Текст на FTP в файле Бросок.txt)
procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);
begin if (Edit1.Text<>'') and (edit2.Text<>'') and (edit3.Text<>'') and (edit4.Text<>'')
then begin v0:=strtofloat(edit1.Text);
a:=strtofloat(edit2.Text);
s:=strtofloat(edit3.Text);
h:=strtofloat(edit4.Text);
l:=s*(sin(a*pi/180)/cos(a*pi/180))-g*sqr(s)/(2*sqr(v0)*sqr(cos(a*pi/180)));
edit5.Text:=floattostr(l);
if (l>=0)and(l<=h) then edit6.Text:='Попадает';
if l<0 then edit6.Text:='Недолет';
if l>h then edit6.Text:='Перелет';
button1.Enabled:=true;
end else begin showmessage( 'Не достаточно данных!!!');
if edit1.text='' then edit1.SetFocus
else if edit2.Text='' then edit2.SetFocus
else if edit3.text=''then edit3.SetFocus
else edit4.SetFocus;
end;
end;
Обработчик кнопки «Траектория» (Текст на FTP в файле Траектория.txt)
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var mx,my,ww,hh,xe,ye:integer;
x,y,t:real;
xx,yy,n,nn:integer;
begin mx:=paintbox1.ClientWidth; my:=paintbox1.ClientHeight;
with paintbox1.Canvas do
begin Brush.Color:=clwhite; Brush.Style:=bssolid;
Pen.Color:=clblack; Pen.Width:=1;
Rectangle(0,0,mx,my);
t:=0; hh:=my div 2;
moveto(0,hh); lineto(mx,hh);
// ось х xx:=0; n:=0; nn:=0;
while xx<=mx do
begin if n=5 then
begin textout(xx-3,hh+10,inttostr(nn));
n:=0;
moveto(xx,hh-6); lineto(xx,hh+6);
end else begin moveto(xx,hh-3); lineto(xx,hh+3);
end;
xx:=xx+10;
inc(n); inc(nn);
end;
// ось у низ
yy:=hh;
while yy<=my do
begin moveto(0,yy);
lineto(5,yy);
yy:=yy+10;
end;
//ось у верх
yy:=hh;
while yy>=0 do
begin moveto(0,yy);
lineto(5,yy);
yy:=yy-10;
end;
moveto(0,hh);
// график
while t<=10 do
begin y:=v0*sin(a*pi/180)*t-g*t*t/2;
x:=v0*cos(a*pi/180)*t;
xe:=trunc(x*10);
ye:=trunc(hh-y*10);
lineto(xe,ye);
t:=t+0.1;
end; // while
end; //with
button1.Enabled:=false;
end;
Обработчик кнопки «Далее» (Текст на FTP в файле Далее.txt)
procedure TForm1.BitBtn2Click(Sender: TObject);
begin edit1.Clear;
edit2.Clear;
edit3.Clear;
edit4.Clear;
edit5.Clear;
edit6.Clear;
edit1.SetFocus;
end;
Осталось вставить в код программы описание констант и переменных которые будут доступны для всех подпрограмм.
const g=9.81;
pi=3.14;
var v0,a,s,h,l:real;
47942585725
С помощью созданной программы подберём значения угла a и начальной скорости v0 при которых мяч попадем в мишень высотой L расположенную на расстоянии h от места броска.
Результаты наблюдений оформим в виде таблицы (раздаточный материал):
Фамилия Имя
Расстояние до мишени S=
Высота мишени h=
№ попытки Угол a Начальная
скорость v0 Результат
1 2 Оценка за работу:

v0 =__________
a =___________
Выводы о проделанной работе:____________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Собрать раздаточный материал. Проверить результаты полученные учащимися. Поставить оценки.
Заключительная часть
Итак, сегодня на уроке мы создали компьютерную программу, которая позволяет исследовать физическую модель в нашем случае это тело, брошенное под углом к горизонту. С помощью данной компьютерной модели мы провели небольшой эксперимент. В результате, которого мы выяснили с какой начальной скоростью (v0) и под каким углом (a) необходимо бросить тело (мяч), чтобы оно попало в мишень заданной высоты (h) расположенную на заданном расстоянии (S).
На следующем уроке мы попробуем реализовать данную физическую модель в среде электронной таблицы MS Excel.
Оценка учителем работ учащихся.
Объявить учащимся оценки, полученные за урок и сообщить домашнее задание.
Спасибо за урок. До свидания.