Моделювання у процесі вивчення фізики

Важко було б уявити будь-яке складне явище без його моделі, тобто імітації відповідного обєкта чи явища. Наприклад, глобус, який являється моделлю Землі, модель будинку, атома тощо. Найчастіше в ролі моделі виступає інший матеріальний або уявний обєкт, що замінює в процесі дослідження обєкт-оригінал.

Визначимо, що являє собою поняття «модель».

Модель - опис об'єкта, предмета, явища або процесу <#"justify">Характерною рисою є можливість відтворення моделлі відповідно до завдань дослідження тих чи інших істотних властивостей, структур досліджуваного об'єкта, взаємозв'язків і відносин між його елементами. В процесі пізнання модель іде слідом за об'єктом, будучи певною його копією, а у відтворенні, конструванні, навпаки, об'єкт йде слідом за моделлю, копіюючи її.

Модель фіксує існуючий рівень пізнання про досліджуваний об'єкт. Неможливо створити універсальну модель, котра могла б відповісти на всі запитання, що викликають інтерес; кожна з них дає лише наближений опис явища, причому в різних моделях знаходять відображення різні його властивості. До моделювання звертаються тоді, коли досліджувати реальний об'єкт з усією сукупністю його властивостей недоцільно, незручно або неможливо.

Моделлю можуть бути будь-який обєкт, установка, явище або мислений образ, за допомогою яких вивчаються складніші обєкти. Моделі використовують тоді, коли безпосередньо дослідити відповідні обєкти-оригінали важко або й неможливо. В іншому випадку моделі використовуються для дослідження ще не існуючих обєктів.

При цьому дослідник має справу не з реальним обєктом, а з його моделлю. Результати дослідження моделі переносяться на реальний обєкт.

Залежно від критерію класифікації виділяють різні типи моделей. За способом подання усі вони поділяються на два великих класи: матеріальні та нематеріальні (інформаційні). Матеріальні - це реальні, фізично існуючі моделі. Матеріальні моделі є носієм хімічних, геометричних, фізичних та інших властивостей обєкта, процесу або явища. Приклад матеріального моделювання: дослідження аеродинамічних властивостей планера літака шляхом продування його макета в аеродинамічній трубі.

Досягнення фізики і техніки відкрили перспективи реалізації таких проектів, як освоєння космосу, створення ракетно-ядерного щита, оволодіння таємницями атомної енергії, пошук нових фундаментальних законів природи. Ці завдання не могли бути реалізовані традиційними методами, вони були попередньо «здійснені" в надрах ЕОМ за допомогою математичних модулів і лише потім - на практиці.

Став можливим обчислювальний експеримент. Він є доцільним тоді, коли натурний експеримент небезпечний, дорого коштує або його неможливо реалізувати. Він дає змогу, знаючи закони природи, отримати численні наслідки, які без допомоги компютера отримати неможливо.

Обчислювального експерименту є математичне моделювання, теоретичною базою - прикладна математика, а технічною - потужні компютери.

Класичною галуззю математичного моделювання є фізика. До недавніх часів у фізиці мікросвіту (у квантовій теорії поля) обчислюваний експеримент не застосовувався, але згодом фізики-теоретики прийшли до висновку, що процеси у мікросвіті є нелінійними, тому для їх дослідження необхідно використовувати чисельні методи і сучасні компютерні технології.

І це далеко не всі можливості застосування методу компютерного моделювання.

Отже, глибокий аналіз та комплексне дослідження процесів, що відбуваються у різноманітних технічних, біологічних та соціально-економічних системах, неможливі без їх моделювання, зокрема, компютерного. Таке моделювання дає змогу простежити перебіг подій у складних системах при різних комбінаціях зовнішніх та внутрішніх факторів, визначити оптимальну структуру таких систем тощо. Застосування сучасних компютерних технологій та відповідного програмного забезпечення значно прискорює такий аналіз і підвищує його якість [15].

Моделювання є потужним засобом наукового пізнання, воно потребує інтеграції знань із різних навчальних дисциплін і сприяє формуванню світогляду з позиції єдиного підходу до вивчення різноманітних явищ навколишнього світу. Воно є складовою науково-дослідної роботи і належить до тих видів інтелектуальної діяльності, які можна опанувати на основі власного досвіду і опрацювання спеціальної літератури [9].

Моделі й моделювання знаходять широке застосування у різних галузях науки і техніки: у природничих та гуманітарних науках, у психології, філософії, соціології, педагогіці, економіці, мистецтві тощо.

Найбільш розповсюджений метод побудови моделей полягає в застосуванні фундаментальних законів природи, на яких ґрунтується багато науково-технічних досягнень, до конкретних ситуацій.

Приклади моделей, які базуються на законах Архімеда, Ньютона, Ома та інших класичних законах: знаходження траєкторії спливання підводного човна залежно від деяких параметрів, залежність сили струму І від часу t в контурі, який має електрорушійну силу , опір R та індуктивність L, закон зміни маси речовини від часу (радіоактивний розпад речовини).