Сторінка
6
Аналіз існуючих моделей «NetLogo» щодо вирішення визначених проблем
Модель №1 «Велосипедна шина (Bike Tire)» являє собою поведінку частинок газу в контейнері, який може мати різний об´єм и пропорції. Число частинок, що додаються всередину контейнера чи з його зовнішньої сторони, можна змінювати, так як і правила їх взаємодії (відскакують чи вони від стінок, зіштовхуються чи вони один з одним).
Проста модель допомагає звикнути користувачу до інтерфейсу NetLogo, оцінити можливі модельні обмеження і спрощення, перш ніж почати виконувати аналіз даних та математичне моделювання задач.
Модель № 2 «Зміна тиску (Changing Pressure)» досліджує відносини між числом частинок і тиском газу в контейнері з фіксованим обсягом. Модель імітує ефект накачування велосипедної шини. Число частинок можна змінювати від початку і в процесі «накачування шини», додаючи порції газу через клапан на лівій стінці контейнера.
Ця модель допомагає вивчити поведінку частинок газу, яке призводить до збільшення або зменшення тиску, розглянути співвідношення між числом частинок і тиском.
Модель № 3 «Рух частинок (Circular Particles)» є більш точною і призначена для дослідження зміни співвідношення кінетичної енергії частинок під час їх зіткнень. Для розрахунків приймають, що частинки мають круглу форму і певний розмір, на відміну від моделювання частинок у вигляді безрозмірною точки, як у попередніх моделях. Зіткнення частинок розглядають як пружне. Обмін кінетичної енергії і імпульсу між двома частинками відбувається згідно із законами збереження енергії та імпульсу вздовж осі зіткнення.
Потім обчислюється кут, швидкість і напрямок руху частинок. У моделі використовуються колір для візуалізації швидкості частинок, виділення окремої частки на тлі інших.
Модель № 4 «Число частинок та тиск (Number and Pressure)» дозволяє встановити зв'язок між кількістю часток газу в контейнері і тиском в системі. Додаючи певні порції частинок в контейнер і здійснюючи вимірювання тиску, учні самостійно виводять рівняння відповідної математичної залежності.
Модель № 5 «Температура та тиск (Temperature and Pressure)» призначена для дослідження відносини між температурою і тиском газу в контейнері з фіксованим обсягом. Можна варіювати число часток і температуру газу, за допомогою нагрівання або охолодження стінок контейнера. Особливістю моделі є можливість зміни декількох параметрів: числа частинок і температури газу , і вивчення комбінованого їх впливу на тиск.
Для візуалізації нагріву стінок контейнера використовують зміну їх кольору . Темно-червоний колір позначає низьку температуру. Перехід від яскраво -червоного кольору через рожевий в його бліді відтінки показує зростання температури. Стінки мають постійне значення температури протягом роботи моделі.
Модель № 6 «Об´єм та тиск (Volume and Pressure)» дозволяє регулювати обсяг і розмір контейнера з газом. Ця модель призначена для дослідження відношення між обсягом контейнера і тиском газу в посудині при постійній температурі. Вона дозволяє вивчити відношення між числом частинок і тиском, об'ємом контейнера і тиском газу.
У моделі регулюється обсяг контейнера і може змінюватися число частинок. Коригування факторів може здійснюватися одночасно, що дозволяє розглядати їх комбінований вплив.
Модель № 7 «Закон ідеального газу (Ideal Gas Law)» досліджує відносини між числом частинок, об'ємом контейнера, тиском і температурою газу.
У цій моделі контейнер має регульовані: обсяг, число часток і температуру.
Частинки моделюються як кульки без внутрішньої енергії, за винятком енергії, пов'язаної з їх рухом. Сутички між частками є пружними.
Частинки можуть бути пофарбовані для кращої візуалізації їх швидкості.
При нагріванні стінок контейнера вони будуть змінювати колір. Темно-червоний колір позначає нижчу температуру. Зміна кольору від яскраво-червоного до білого (через рожевий і блідо-рожевий) позначає підвищення температури. Білий колір - найгарячіші стінки. Температура стінок після встановлення залишається постійною протягом досвіду.
Модель № 8 «Редактор моделей з частинками (Рarticle sandbox)»передбачає:
- Можливість самостійного малювання контейнерів різної форми , що містять газ;
- Додавання / видалення стінки контейнера;
- Додавання / видалення стінки-перегородки , яка знаходиться поза контейнера.
За допомогою такої моделі можна змоделювати дифузію запаху парфумерії з відкритого контейнера , змішання гарячого газу з холодним , змішання газів і т.д.
Правила поведінки частинок при зіткненні один з одним і зі стінками аналогічні Моделі 7.
Контейнер може бути нагрітий, температура стінок візуалізується кольором також як в Моделі 7 (холодні-темно-червоний, гарячі - блідо-рожевий, білий). Задана температура підтримується постійною під час всього моделювання.
Застосування моделі NetLogo для вивчення теми «Реакції йонного обміну»
Опис моделі
Для візуалізації реакцій йонного обміну учням були представлені 3 моделі написання на мові NetLogo.
Перша модель (Рис. 1-2) була представлена на дисоціацію HCl, рівняння якої має такий вигляд: HCl ↔H++Cl- вигляд: NaOH↔Na++OH
Рис. 1 Робочий вигляд моделі 1
Рис. 2 Модель 1
Друга модель (Рис. 3-4) була на дисоціацію NaOH, рівняння якої має
Рис. 3 Робочий вигляд моделі 2
Рис. 3 Робочий вигляд моделі 2
Третя модель (Рис. 5-6) візуалізує реакцію обміну між NaOH та HCl. Рівняння реакції:
NaOH + HCl = NaCl+H2O
Na+ + OH- + H+ + Cl- = Na+ + Cl- + H2O
H+ + OH- = H2O
Рис. 5 Робочий вигляд моделі 3
Рис. 6 Модель 3
Методика проведення експерименту
У повторному експерименті приймали участь 9Г та 9Б класи з ЛІТу. (Рис. 1-8). Перед проведенням повторної самостійної роботи учням запропоновано було подивитися моделі NetLogo, які допомогли їм краще зрозуміти реакції йонного обміну. Учні, віком 13-14 років, робили невелику повторну самостійну роботу на тему «Складання реакцій йонного обміну в йонно-молекулярному вигляді». Учням було запропоновано скласти рівняння реакцій, в яких вони найбільше помилок припустилися в попередній роботі:
MgSO4 + H3PO4 →
NaOH + H2SO4 →
Cu(OH)2 + HCl →
K2CO3 + HCl →
Na2CO3 + HCl →
Час на цю роботу з демонструванням моделей складав 15-20 хвилин. Роботи учнів були перевірені. Після цього результати до та після демонстрації моделей були порівнянні та була зроблена таблиця порівняння.
2.5.3 Результати експерименту
В таблиці 1 та діаграмах 1-3 зображено порівняльні результати до та після демонстрації моделей NetLogo.