Моделирование опыта Э. Резерфорда

1. Введение

Физика - наука экспериментальная. Поэтому работа в лабораториях общего физического практикума является неотъемлемой частью процесса изучения, как законов, так и методов физики. Лабораторные работы дают студентам возможность познакомиться с физическими явлениями и с некоторыми основными приборами, овладеть различными методами измерений, научиться технике эксперимента. Широкое использование электронных вычислительных машин становится составной частью экспериментального исследования. При этом естественно, что в различных экспериментах ЭВМ используются неодинаковым образом.

Для обычных учебных экспериментов, каковыми являются большинство  лабораторных работ, объем информации, снимаемый с установки, невелик и, как правило, не превышает нескольких десятков чисел. Физические выводы из проделанного эксперимента - результат соответствующей обработки этой  информации; математическая обработка - специфична для каждой лабораторной работы.

Многочисленные вычислительные центры к настоящему времени

обладают большим набором сделанных на высоком профессиональном уровне законченных стандартных подпрограмм и стремятся максимально автоматизировать современные экспериментальные исследования. Организация вызова и запуска необходимой программы с помощью небольшого числа стандартных системных команд открывает возможность работы с программой даже для лиц, не имеющих навыков программирования и не владеющих в должной мере знаниями по математической обработке результатов наблюдений. При этом время работы с программой сокращается до минимально возможного.

Учитывая учебный характер работы, следует также организовать хранение рабочих программ на алгоритмическом языке. В этом случае обучающийся сможет активно влиять на текст  программы, изучать его,

изменять по своему усмотрению и работать с отредактированной им самим программой. Наконец, всегда должна быть открыта возможность для самостоятельного программирования, как отдельных блоков  обработки  результатов, так и целой задачи.

Однако главное - овладеть навыками организации экспериментальных исследований: разделения работы на этапы и части, обеспечения согласованности отдельных этапов и необходимого взаимодействия различных частей. В учебных экспериментах такими частями работы являются, как правило, сборка и налаживание аппаратуры, собственно эксперимент и математическая обработка. Физик должен научиться, не только выполнять эти элементы работы, но и дирижировать ими, используя их как готовые составные блоки при конструировании эксперимента.

2. Численный  эксперимент. Моделирование физического эксперимента.

Целесообразность постановки в общем, физическом практикуме задач по моделированию на ЭВМ физических явлений обусловливается той ролью, которую численный эксперимент играет в современной науке. ЭВМ оснащена средствами визуализации результатов, т.е. дает возможность представить решение задачи в наглядной динамичной форме, наблюдать  его зависимость от параметров. Всё это позволяет приблизить численный эксперимент к натурному.

        Рассмотрим вопрос о соотношении физической теории, численного и натурного эксперимента. Физическая теория позволяет построить математическую модель объекта или явления. Модель должна отражать существенные закономерности объекта, только тогда её исследование даёт информацию об исходной системе. Если задача проста, т.е. уравнения линейны, число переменных невелико, есть симметрия и т.д., то её удаётся разрешить аналитически и сравнить полученные результаты с экспериментальными. Решение сложных проблем с большим количеством переменных требует использование численных методов, которые могут быть реализованы только на современных быстродействующих ЭВМ. Применение вычислительной техники значительно расширяет возможности ученых в области построения и анализа сложных моделей.