Изучение физики с помощью компьютерных технологий - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Изучение физики с помощью компьютерных технологий

Маршинская М.В. 1
1Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях подготовки специалистов высшей квалификации возникает необходимость применения новых технологий обучения, направленных на достижение высокой степени информативности и наглядности преподаваемого материала. Быстрое развитие компьютерной техники и расширение её функциональных возможностей позволяет широко использовать компьютеры на всех этапах учебного процесса.

Можно выделить два направления в использовании компьютерной техники при организации учебного и изучающего процесса. Во-первых, это получение доступа к информационным ресурсам, в частности к учебным материалам. Во-вторых, это возможность с помощью компьютера визуализации различных процессов, представление которых в обычных условиях затруднено или просто невозможно, например, в таких дисциплинах, как физика, электротехника или теплотехника. В настоящее время авторами накоплен значительный опыт создания компьютерных программ для визуального моделирования и исследования физических и тепловых процессов, происходящих в электрических и магнитных цепях, при переносе и передачи тепла.

VR-технологии

VR-проекты становятся всё более популярны не только в игровой индустрии, но и в бизнесе, маркетинге и образовании. Это неудивительно, ведь при погружении в VR люди быстрее и эффективнее усваивают информацию, получают возможность отработать ситуации, которые нельзя воспроизвести в реальной жизни.
В наше время тратятся большие средства на образование. Одним из самых «дорогостоящих» предметов является физика. Поэтому возникает вопрос: возможно ли сократить расходы бюджета на материальное и методическое обеспечение данного предмета так, чтобы не пострадало качество образования? Такую возможность предоставляет VR-технология. Проект поможет сократить затраты на приобретение многочисленного оборудования, с одной стороны, а с другой – и разнообразить учебный процесс, и повысить его эффективность. При этом, благодаря использованию технологии виртуальной реальности ожидается рост заинтересованности учащихся в выполнении лабораторных работ и в изучении физики в целом.

Автор проекта создал основное рабочее пространство, содержащее две «комнаты»: стартовая комната – для изучения теории, прохождения тестов, комната для выполнения лабораторных работ.
Стартовая комната представляет собой школьный класс, в котором находятся 10 парт. В передней части класса находится стол с интерактивными предметами (для переключения внимания учащихся) и доска, на которой можно выбрать класс, тему и уровень сложности заданий.
Из стартовой комнаты через специальный проход можно попасть в комнату для выполнения основной работы. Там находятся стенды для изучения отдельных физических явлений, где учащийся должен выполнить лабораторную работу. На отдельных панелях стенда представлены результаты измерений. Учащийся вносит результаты выполнения лабораторной работы в устройство, находящееся рядом со стендом.
1. Сбор научного материала
Автором была создана тема первого урока и последующих уроков, разработаны тестовые задания.
2. Добавление механик и систем взаимодействия пользователя с виртуальным пространством
Автор использовал основные инструменты VR-разработки для создания интерактивности, элементов управления.

В рамках реализации настоящего проекта было разработано приложение для изучения физики в виртуальной реальности. В нём были реализованы технологии взаимодействия пользователя с окружающими его объектами в виртуальной среде. Также был собран материал для раздела тестовых задач.
В данном проекте были сформулированы принцип изучения и проведения лабораторных исследований в виртуальной среде, а также метод оценивания результативности проделанной работы учащихся.

Созданное программное обеспечение имеет довольно широкий функционал: возможность осуществления контроля понимания материала с использованием тестов, возможность проводить лабораторные занятия в рамках изучения абсолютно разных разделов физики, включая и опасные работы, не выполнимые в реальных условиях (например, изучение ядерных реакций и т. д).

Проект AutomatonRobotics.

Проект Automaton Robotics из Польши представил роботизированную руку, которая совмещает в себе искусственные аналоги частей настоящей человеческой руки от кисти до локтя: кости, мышцы, сухожилия и полупрозрачное покрытие, имитирующее кожу. Об этом инженеры проекта сообщают на своём ютуб-канале.

Устройство использует набор гидравлических мышц, каждая из которых состоит из эластичной непроницаемой трубки с нерастягиваемой плетёной оболочкой. Когда насос закачивает воду в трубку — оболочка не даёт ей растянуться в длину, так что трубке остаётся только раздуваться вширь. При этом её длина сокращается и тянет на себя сухожилие, заставляя палец кисти сгибаться — по такому же принципу работает настоящая мышца. Воду в мышцы подаёт насос, причём подача воды в каждую мышцу регулируется отдельно электрогидравлическим клапаном. Килограммовая роботизированная конечность способна двигать каждым пальцем по отдельности, сжимать и разжимать кисть, поднимать и удерживать гантель массой в семь килограммов. В пиковой нагрузке насос потребляет 200 ватт энергии — примерно на уровне среднего неигрового компьютера.

Роборука использует в два раза меньше мышц, чем человеческая — из-за этого, например, её хват не так силён, как у человека. Запястье тоже ограничено в движении. Каждый шарнир оснащён датчиком движения, но для них пока не готово программное обеспечение. Все эти недоработки инженеры планируют исправить в ближайшее время.

Участники проекта хотят сделать полноценного робота, строение которого в целом будет следовать строению человеческого тела. Однако для этого им, скорее всего, придётся избавиться от гидравлического насоса, который занимает слишком много места. Альтернативным решением могут стать искусственные мышцы из полимеров, которые меняют форму под действием тока, материалов с памятью формы, или даже из плетёных лесок и ниток — их эффективность в десятки раз выше, чем у настоящих мышечных волокон такого же размера.

Моделирование сложных процессов. Проект «Большой космический симулятор».

Еще одна сфера применения компьютеров в космических исследованиях — это моделирование. Оно применяется для замены реального физического эксперимента компьютером и помогает производить контроль и оценку качества проектных решений.

Самый масштабный проект космической симуляции — LSS, или «Большой космический симулятор». Находится он в филиале Европейского космического агентства — ESA. Там ученые моделируют ситуации, которые могут происходить в космическом пространстве с различными объектами, а также проводят испытания космического оборудования, создавая для него экстремальные условия, с которыми оно может столкнуться в процессе эксплуатации. Например, воспроизводят условия схожие с выбросами потоков солнечной плазмы, проводят эксперименты при сверхнизких температурах и высочайшем давлении.

Детальная запись наблюдений таких испытаний помогает ученым значительно продвинуться в изучении поведения запускаемых с Земли объектов в космическом пространстве и предотвратить множество проблем, которые случаются во время полетов.

Отправка человека на Марс или другие планеты сопряжена со сложностями и угрозами для жизни, поэтому учеными разрабатывается роботизированная техника, призванная заменить человека в непростом деле — покорении новых космических земель. В LSS производится моделирование различных ситуаций, которые позволяют оценить функциональность роботов и роботизированных транспортных средств.

Искусственный интеллект покоряет космическое пространство

Пока корпорации используют возможности искусственного интеллекта(ИИ) для поиска потенциальных покупателей и прогнозирования их привычек, ученые решают, как можно использовать ИИ для изучения космоса и как варианты его применения поистине потрясают воображение. ИИ блестяще справляется с анализом больших массивов данных, особенно если это визуальная информация. Поэтому ему поручают поиск экзопланет — планет, пригодных для жизни, например, в созвездии Дракона была открыта система Kepler-90, которую называют двойником нашей Солнечной системы.

Наша ближайшая соседка — Луна — также не осталась без внимания. ИИ уже составляет детализированную карту ее поверхности и определяет местоположение кратеров на полюсах, которые трудноразличимы для человеческого глаза, это поможет разрабатывать оптимальные маршруты для луноходов. Алгоритмы машинного обучения позволят астрономам определять орбиты комет и астероидов, чьи траектории пролегают близко к нашей планете. ИИ определяет место на марсе, луне, куда можно приземлить космический аппарат без участия человека. В дальнейшем планетоходы планируется делать полностью автономными, что сделает исследование планет намного эффективнее.

Сейчас ученые озабочены поиском так называемых гравитационных линз. Это галактики или черные дыры, которые для наблюдателя с Земли оказываются позади источника света (звезды), вследствие чего, свет искривляет пространство вокруг объекта, превращая его в линзу. Изучение таких линз помогает ученым исследовать невероятно далекие уголки вселенной.

Для обучения нейронной сети по поиску гравитационных линз было создано около 6 миллионов ложных изображений, на которых ИИ училась отличать реальные объекты от несуществующих, и после тонкой настройки она смогла с высокой точностью находить гравитационные линзы. Кроме того, ИИ поможет ученым в прогнозировании солнечных вспышек, классификации галактик, мониторинга здоровья космонавтов во время пребывания в космосе, в обработке фотографий астрономических объектов, получаемых с помощью телескопов и многих других задач, где необходим анализ большого количества данных.

Ученые предложили новый способ измерения скорости расширения Вселенной на основе совместного наблюдения гравитационных волн и световых сигналов, возникающих при столкновении черных дыр и нейтронных звезд. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Скорость расширения Вселенной, один из ключевых параметров космологии, астрофизики оценивают с помощью коэффициента, который связывает расстояние до любого внегалактического объекта со скоростью его удаления, — постоянной Хаббла. По своей физической сути это локальное ускорение.

Традиционно ученые используют для его оценки два метода. Первый базируется на анализе флуктуаций космического микроволнового фона — реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва; а второй — на случайном появлении сверхновых в удаленных галактиках. Согласно первому методу, величина постоянной Хаббла равна 67,4, а второму — 74 километра в секунду на мегапарсек. Естественно, астрономы обеспокоены этим серьезным несоответствием и постоянно ищут новые способы измерений.

Исследователи из ВеликобританииШвеции и Нидерландов предложили метод, основанный на совместном наблюдении взрывов света и гравитационной ряби в ткани космоса, вызванных столкновениями черной дыры и нейтронной звезды. Авторы смоделировали на компьютере 25 тысяч подобных столкновений и обнаружили, что к 2030 году гравитационно-волновые обсерватории смогут ощущать рябь в пространстве-времени от трех тысяч из них, а примерно в ста таких случаях телескопы также увидят сопутствующие взрывы света.

Ученые считают, что этих данных будет достаточно, чтобы обеспечить новое, полностью независимое измерение скорости расширения Вселенной, достаточно точное и надежное, чтобы подтвердить или опровергнуть необходимость создания новой физики.

"Столкновение нейтронной звезды с черной дырой — катастрофическое событие, вызывающее рябь пространства-времени, известную как гравитационные волны, которые мы теперь можем обнаружить на Земле с помощью таких обсерваторий, как LIGO и Virgo, — приводятся в пресс-релизе Университетского колледжа Лондона слова первого автора статьи астрофизика Стивена Фини (Stephen Feeney). — Мы еще никогда не видели свет от таких столкновений, но повышение чувствительности оборудования, регистрирующего гравитационные волны, вместе с новыми детекторами в Индии и Японии, приведет к огромному скачку вперед с точки зрения того, сколько таких событий мы сможем обнаружить. Это невероятно интересно и должно открыть новую эру в астрофизике".

Чтобы рассчитать постоянную Хаббла, необходимо знать расстояние до астрономических объектов, а также скорость, с которой они удаляются. Анализ гравитационных волн показывает, как далеко до места столкновения. Чтобы определить, с какой скоростью удаляется галактика, в которой произошло столкновение, астрономы измеряют величину красного смещения, то есть то, как длина волны света, производимого источником, растягивается при движении. По мнению авторов, взрывы света, сопровождающие столкновения, позволят точно определить красное смещение галактики, в которой произошло столкновение.

"Если наши предположения верны, многие из этих столкновений не вызовут взрывов — черная дыра поглотит звезду, не оставляя следов. Но в некоторых случаях небольшая черная дыра сначала разорвет нейтронную звезду, прежде чем поглотить ее, оставляя за пределами дыры материю, которая испускает электромагнитное излучение", — продолжает доктор Фини.

Из двух существующих вариантов оценки скорости расширения Вселенной "звездный" метод более удобный, так как для него, в отличие от измерения микроволнового фона, не нужно задействовать полную теорию Вселенной. Однако для того, чтобы решить, какой из двух способов более точный, нужен еще хотя бы один независимый метод проверки, которым, по мнению авторов, может стать предложенный ими метод.

Новые правила физики протестированы на квантовом компьютере

Исследователи Университета Аалто (Хельсинки) использовали квантовый компьютер IBM для исследования малоизученной области физики и бросили вызов вековым представлениям об информации на квантовом уровне, - пишет eurekalert.org.

Правила квантовой физики, которые определяют поведение очень малых вещей, используют математические операторы, называемые эрмитовыми гамильтонианами. Эрмитовы операторы лежат в основе квантовой физики почти 100 лет, но недавно теоретики осознали, что можно расширить ее фундаментальные уравнения, используя эрмитовы операторы, которые не являются эрмитовыми. Новые уравнения описывают вселенную со своим собственным специфическим набором правил: например, глядя в зеркало и меняя направление времени, вы должны увидеть ту же версию себя, что и в реальном мире. В своей новой статье группа исследователей под руководством доцента Сорина Параоану использовала квантовый компьютер для создания игрушечной вселенной, которая ведет себя в соответствии с этими новыми правилами. В команду входят доктор Шрути Догра из Университета Аалто, первый автор статьи, и Артем Мельников из МФТИ и Terra Quantum.

Исследователи заставили кубиты, часть квантового компьютера, который выполняет вычисления, вести себя в соответствии с новыми правилами неэрмитовой квантовой механики. Они экспериментально продемонстрировали пару захватывающих результатов, которые запрещены обычной эрмитовой квантовой механикой. Первое открытие заключалось в том, что применение операций к кубитам не сохраняло квантовую информацию - поведение настолько фундаментальное для стандартной квантовой теории, что приводит к нерешенным в настоящее время проблемам, таким как парадокс Стивена Хокинга с информацией о черной дыре. Второй захватывающий результат был получен, когда они экспериментировали с двумя запутанными кубитами.

Запутанность - это тип корреляции, которая возникает между кубитами, как если бы они испытывали волшебную связь, которая заставляет их вести себя синхронно с каждым. Известно, что Эйнштейну очень не нравилась эта концепция, он называл ее «жутким действием на расстоянии». В рамках обычной квантовой физики невозможно изменить степень сцепления между двумя частицами, вмешиваясь в одну из частиц самостоятельно. Однако в неэрмитовой квантовой механике исследователи смогли изменить уровень запутанности кубитов, манипулируя только одним из них: результат, который явно запрещен в обычной квантовой физике.

«Самое интересное в этих результатах заключается в том, что квантовые компьютеры сейчас достаточно развиты, чтобы начать использовать их для проверки нетрадиционных идей, которые до сих пор были только математическими, - сказал Сорин Параоану. - В данной работе жуткие действия Эйнштейна на расстоянии становятся еще более пугающими. И, хотя мы очень хорошо понимаем, что происходит, это все еще вызывает у вас дрожь».

У исследования также есть потенциальные приложения. Несколько новых оптических или микроволновых устройств, разработанных в последнее время, похоже, действительно ведут себя в соответствии с новыми правилами. Настоящая работа открывает путь к моделированию этих устройств на квантовых компьютерах.

Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. М.: Наука, 1964. Т. 3.

2. Польские инженеры создали роборуку с мышцами и сухожилиями 

[https://tjournal.ru/tech/459949-polskie-inzhenery-sozdali-roboruku-s-myshcami-i-suhozhiliyami-ona-vyglyadit-i-dvigaetsya-kak-nastoyashchaya]

3. Новые правила физики протестированы на квантовом компьютере

[https://nangs.org/news/it/novye-pravila-fiziki-protestirovany-na-kvantovom-kompyyutere]

4. Разработка приложения для изучения физики в VR

[https://profil.mos.ru/ntek/proekty/razrabotka-prilozheniya-dlya-izucheniya-fiziki-v-vr.html]

Просмотров работы: 31