Современная деятельность людей протекает в условиях использования сложного машинного оснащения и научно-технического прогресса [1, с. 7]

В работе представлены учебные компьютерные модели поперечных и продольных механических волн, которые позволяют наглядно продемонстрировать учащимся распространение таких волн в пространстве, а также различные волновые явления: отражение волны от препятствия, преломление волны, интерференцию волн.
Современная деятельность людей протекает в условиях использования сложного машинного оснащения и научно-технического прогресса [1, с. 7]. Это в определенной степени влияет на решение задач, стоящих перед школой на данном этапе развития общества [3]. Структура современного урока физики и используемые методы обучения иногда не обеспечивают нужной мыслительной деятельности учащихся. Это бывает связано с использованием целого ряда абстрактных понятий современной физики, непривычных для предметного способа мышления учащихся и не поддающихся конкретно-чувственному изображению [1, с. 10]. Поиск путей качественного улучшения организации учебного процесса приводит к созданию более эффективных методов обучения физике. Довольно часто это связано с увязыванием методики преподавания учебной дисциплины с методологией базисной науки. Эта методология подразумевает использование моделирования — исследование объектов познания на их моделях. Этот процесс может быть автоматизирован с помощью компьютерной техники, тогда можно говорить о компьютерных моделях. Если такие модели можно использовать в обучении, мы называем их учебными компьютерными моделями [2].
В данной статье рассмотрим, что из себя представляют учебные модели, с помощью которых можно изучать поперечные и продольные механические волны в курсе физики. Созданные нами приложения, которые реализуют данные модели, являются многооконными и предназначены для запуска в операционных системах семейства Windows (рис. 1–8).
Как правило, такие приложения имеют три окна. В первом окне учащиеся наблюдают непосредственно волну, во втором они видят графики зависимостей смещения, скорости и ускорения выбранной ими частицы от времени, в третьем размещены элементы управления моделью (рис. 1).

Рис. 1. Многооконное приложение для изучения поперечных волн

Образная часть модели (первое окно), отвечающая за визуализацию волны, занимает большую часть экрана. В случае моделирования поперечной волны на экране изображаются две пластины, между которыми натянут упругий шнур, по которому и будет распространяться волна. В окне, предназначенном для размещения элементов управления моделированием, расположены кнопки для запуска и полной остановки виртуального эксперимента, а также для режима паузы; элементы для ввода коэффициента затухания, начального смещения выбранного элемента шнура и номера этого элемента; меню для выбора типа возмущения (можно выбрать одиночную волну, цуг волны, гармоническую волну и щипок); меню для выбора типа начального смещения элементов шнура. Также предусмотрено изменение параметров второй среды, в которой распространяется волна: задание ее левой и правой границы, показателя преломления относительно первой среды и степени прозрачности второй среды. Кроме того, пользователь программы может выбирать различные варианты визуализации сцены моделирования: изменять расстояние до объекта наблюдения и ракурсы, выделять с помощью специальных меток отдельные элементы шнура, заменять «непрерывный» шнур системой связанных частиц, убирать изображения пластин.

Рис. 2. Распространение поперечной волны до отражения

Рис. 3. Распространение поперечной волны после отражения
Рассмотрим лишь некоторые возможности учебной модели поперечной волны. Например, с ее помощью можно продемонстрировать учащимся отражение волны (рис. 2 и 3). При этом сначала наблюдают волну, распространяющуюся в сторону, например, правой пластины (рис. 2). Замечают, что впереди расположен «горб» волны, а за ним — «впадина». После отражения от пластины видят, что теперь впереди расположена «впадина», а за ней — «горб» (рис. 3). Таким образом может быть продемонстрирована так называемая потеря половины длины волны при отражении от препятствия

Рис. 4. Прохождение поперечной волны сквозь границу раздела двух сред
Следующий вариант демонстрации предполагает изучение с помощью моделирования прохождение поперечной волны сквозь границу раздела двух сред (рис. 4). Из виртуального опыта учащиеся могут сделать вывод, что при прохождении волны сквозь границу происходит отражение от границы раздела сред. При этом волна, прошедшая сквозь границу, и отраженная от нее имеют разные длины волн. Изменяя параметры сред, преподаватель с помощью данной модели может показать различные варианты прохождения волны через границу, тем самым познакомив учащихся со всеми возможными при этом вариантами, изложенными в теории волн. Как уже было сказано выше, в приложении предусмотрена возможность изображения шнура как системы частиц. В этом случае, наблюдая волну, можно судить о деформациях шнура в различных его частях (рис. 5).

Рис. 5. Изображение поперечной волны с помощью частиц