基于Python的“概率论与数理统计”课程实验可视化研究

采用Python语言开发“概率论与数理统计”课程的实验可视化系统,在教学实施过程中通过演示具体案例,用图形直观地呈现教学内容,从案例描述、知识点及结果呈现方面开展论述。实验可视化系统提升了学生的学习兴趣和主动性,提高了学生的动手能力和应用能力。

高中物理人教版实验可视化教学方法探讨

随着近几年来我国经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高,国家社会对基础教育越来越重视。物理作为自然科学中的重要学科,高中物理教育也愈加得到重视。物理是一门以实验为基础的逻辑性很强的学科,在传统的物理实验课程教学过程中,我们发现采用手工实验的方式容易产生各种各样的误差,数据的采集和处理也存在一定的难度,甚至一些物理变量难以直接有效地测量,对教师的教学效果造成严重的影响。若我们利用现代数字化手段模拟物理实验具有科学性、实时性、智能性和可视性等优点,就可以对传统的物理实验进行科学有效的补充。下面,本文将研究如何用数字化实验辅助高中物理教学,提高高中物理的教学水平,促进我国基础教育水平的不断发展。

基于透镜“折光能力”视角考虑的可视化创新实验探究——以“眼睛与眼镜”教学为例

“眼睛与眼镜”是初中物理光学中的教学难点.本文独辟蹊径,基于透镜“折射能力”视角考虑创新实验,借助物理建模手段将人眼成像原理与视力矫正方法构建成物理模型,实现可视化探究实验,为学生搭建符合认知规律的物理情境.在改变透镜“折光能力”的过程中解决真实问题,建构物理观念,提升科学思维,培养核心素养.

超空泡航行体的可视化控制仿真实验设计

为解决在水下航行体控制教学中存在的学生对控制结论的理论仿真曲线和实际控制效果难以充分联系的问题,对一种超空泡航行体模型的可视化控制仿真实验的设计进行了研究。实验首先建立了超空泡航行体的三维可视化模型,然后将模型带入具有PID控制算法的Simulink仿真环境中进行可视化仿真,最后对可视化仿真界面和传统仿真曲线中的超空泡航行体的状态参数变化进行对比。实验结果表明,超空泡航行体状态参数的变化符合控制要求,且在可视化界面和传统仿真中具有一致性。学生在实验中能够直接观察控制效果,有利于培养学生掌握控制系统计算机辅助设计的能力,并建立独立思维及创新意识。

压力振荡管内波系运动行为的可视化实验研究

气波制冷机具有制冷效率高、可带液工作等优点。为深入研究气波制冷机核心部件压力振荡管内部波系运动,设计了一套双开口压力振荡管可视化流场测量平台,利用视场拼接和纹影技术获得压力振荡管内密度梯度场的定量表达,并将实验结果与二维欧拉方程理论计算结果进行了交叉对比验证,误差为3.2%,证明基于纹影技术追踪管内复杂波系运动的方法不仅直观可视且准确可靠。基于上述方法,对不同压比和转速下的压力振荡管内波系开展了实验研究。实验结果表明,增大压比或转速均会提升激波马赫数。压比由1.5增大至3.0时,激波强度和膨胀波强度均显著增大,强化了对近管口区间气体的膨胀作用。转速由800 r/min提高至2400 r/min时,膨胀波波系运动路径逐渐向管口方向弯曲,降低了膨胀波在管口运动的速度,增加了膨胀波对近管口区间气体的作用时间。

2D阀先导级气穴特性的可视化实验

二维(2D)阀的阀芯具有周向转动和轴向移动的2个自由度,可实现先导控制和功率放大。其先导级阀口因节流会产生气穴,引起阀芯振动并伴有噪声,直接影响阀的稳定性。为研究2D阀先导级处气穴现象及其影响因素,开发了一套可视化实验装置,结合两相流仿真研究,验证了气穴现象与阀口开度、敏感腔体积、节流口形状、入口压力关系密切。结果表明:2D阀先导级高压节流口处的气体体积随阀口开度的增加而减少,直至消失;随入口压力增加,气体体积的变化近似呈线性增长趋势;随着敏感腔体积的增大而显著增加,平均增长速度达62%,且气体分布变得不规则;矩形节流口比弓形节流口处的气穴受入口压力等因素的影响较大,弓形节流口在入口压力增加时,气体体积增量仅为矩形的8%;同时发现,随着气体在感受通道内的扩散,气体边界从最初的类矩形变成多段不规则形状。

热对流可视化实验仪器的制作与演示

热对流是学生比较难理解的热传递方式,针对常见的热对流实验的不足,利用有机玻璃板、感温变色粉、指甲油、檀香等材料制作一套热对流可视化的实验仪器。采用转换法的思想,将热对流的循环过程转化为烟雾的流动,将热量传递转化为感温变色粉的颜色变化,从而实现热对流可视化。该实验装置具有现象明显、安全可靠、操作方便、价格低廉等优点。该仪器不仅可以演示热对流现象,也可以观察到热量的传递方向,让学生更好地理解热力学第二定律。

固体物理中能带结构的可视化数值实验设计

考虑到常用的固体物理教材中缺乏对晶体能带结构在实空间的讨论,本文以一维周期性势为例,介绍在研讨课教学中针对任意周期性晶格结构的能带求解问题设计数值实验,以帮助学生建立固体能带形成的物理图像,对相关凝聚态理论课程很有参考价值.

新版、新形态、新亮点——《有机化学实验(第六版)》简介

新形态出版的大连理工大学《有机化学实验(第六版)》融合了纸质版教材和网上数字资源,整合了第五版书附教学光盘、网站资源及新建数字资源,优化为新版数字资源作为纸质版教材的支撑和拓展。第六版教材参考了国内外实验教学论文,编著了反应机理证明、可视化制备、黄鸣龙还原及烯烃交互置换专题下14个基本性实验;编著了天然肉桂醛提取及羟醛缩合、脯氨酸催化不对称合成和LED光催化发光体制备等3个综合性实验;编著了费舍尔酯化法合成工业香料羧酸酯的设计性实验与优化微波辅助威廉森法制备4-硝基苯乙醚反应条件的研究性实验。第六版教材搭建了个性化学习平台,有助于提升学生实验能力,培养学生严谨创新的学风。

CO_(2)驱气体赋存特征微观可视化实验

CO_(2)微观赋存特征对现场利用CO_(2)驱油提高采收率具有重要意义,然而目前的实验手段无法直观揭示CO_(2)驱油过程中的赋存状态,相关研究成果较少。采用微观渗流模拟技术,通过刻蚀不同孔喉特征二维微观可视模型,开展了CO_(2)混相与非混相驱及气驱后水驱微观可视化驱替实验,明确了不同驱替方式、不同驱替阶段和不同孔喉特征下CO_(2)的赋存特征。结果表明,CO_(2)赋存特征受驱替方式、驱替阶段和孔喉特征的共同影响,CO_(2)驱阶段,CO_(2)赋存特征主要受驱替方式影响,其次是孔喉特征影响;气驱过程中CO_(2)主要以连续相形式存在,但混相驱时局部CO_(2)富集且处于超临界状态,部分溶解在残余油中,而非混相驱富集现象不明显;气驱后转水驱过程中,CO_(2)赋存特征受驱替方式和孔喉特征的共同影响,混相驱替时,低渗透模型中气体赋存形式呈分散的泡状,细小喉道中存在段塞,高渗透模型中以密集的段塞为主、分散的泡状为辅;非混相驱替时,低渗透模型细小喉道中存在段塞,高渗透模型以小段塞为主,集中分布于喉道中间。研究成果有助于研究CO_(2)微观驱油机理和CO_(2)赋存特征,对提高CO_(2)驱油效率和辅助CO_(2)埋存研究具有理论指导意义。

液压调节阀空化流场分布特性的可视化实验

为了研究调节阀内部的气液两相流变化规律,开发调节阀空化场可视化实验平台并研究其内部空化流分布特征。该调节阀入口压力为2.5~4.0 MPa,背压为1.0 MPa。通过空化场可视化实验表明:随入口压力增加,调节阀节流口处低压区域逐渐扩大,促进了空化区域的发展;调节阀空化特征具体表现为空化流中间段空泡数密度最大、环流道出口部分以及空化流尾流部分的空泡数密度相对较低,空穴气-液交界面尾部轮廓比较模糊,下游流道中偶尔会出现脱落的游离型空泡。该研究将数值仿真和可视化方法相结合应用于探究调节阀实际生产中的空化问题,为理论教学和工程实际应用提供了新思路。

高效镍基有序多孔电极气泡行为可视化观测及性能影响

碱性电解水(AWE)制氢是目前应用最广、商业化规模最大的电解水制氢技术,在碱性电解水系统中,突破析氧反应(OER)的性能瓶颈对提升电解水性能有着巨大意义。析气反应中气泡的行为会造成电极电阻的增加、反应时运输阻力的增加及电极电化学活性表面积(ECSA)的减少等影响,特别是在高电流密度下气泡对于析气反应的传质传荷阻力增加十分巨大。在碱性电解水系统中对于电极内部气泡行为的观测研究目前暂有空白。本工作通过电火花放电技术(EDM)制作出了镍基有序多孔电极,实验观测到该结构电极对析气反应中的气泡合并、对通道表面的黏附及排除过程中的禁锢有所抑制。同时,该结构电极在碱性电解水析氧反应中表现出了优异的性能,其在相同高电位下的OER几何电流密度是普通工业用泡沫镍电极的三倍之多,ECSA归一化电流密度能达到11倍之多。本文阐释了在碱性电解水系统中电极内部气泡行为,以及镍基有序孔电极是如何影响电解水性能,为工业上电解水电极设计提供了一个高效可行的方案。

近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验设计及装置

近水密度调堵球注入工艺受井筒工作液密度、流体流速和井斜角等因素的影响,导致密度窗口调整精度低,进而造成调堵球的井筒坐封困难以及调堵措施有效率低。根据现场工况,研制了近水密度调堵球智能封堵可视化模拟实验装置,可准确模拟近水密度调堵球不同工况下的封堵率。实验结果表明:近水密度调堵球运移携带液体的最佳流速为12.20~15.70 L/min,单一密度调堵球封堵率较低,仅在水平井工况可实现60%~80%的封堵率;复合密度调堵球适用于不同井斜工况,炮眼封堵率可达到100%。该装置的模拟工况与现场施工工况符合度高,可为油田生产中注水、酸化等调堵措施的工艺参数设计提供指导。

VESTA软件的晶体学可视化实验教学设计与应用

晶体学是材料学、化学、物理学和生物学等学科的一门重要基础课程。为了帮助学生对晶体有直观而又全面的认知,设计了基于VESTA软件的晶体学可视化实验教学。以3种典型的晶体结构(面心立方紧密堆积钙钛矿型结构(CaTiO_(3))、六方紧密堆积金红石型结构(TiO_(2))和层状硅酸盐结构(Mg_(3)[Si_(4)O_(10)](OH)_(2)))为例,介绍了VESTA软件在晶体学中的巧妙应用。通过该软件的应用,有助于学生建立晶体结构与形貌、物化性质之间的联系,拓宽复杂晶体的认知领域,提高学习兴趣和效率。

量子力学中波包散射的可视化数值实验设计

考虑到常用量子力学教材中缺乏对波包散射问题的讨论,本文以一维δ势阱为例,介绍我们在研讨课教学中如何针对波包散射问题设计数值实验,以帮助学生自行建立量子散射的物理图像.

旋流作用下的液膜初始破碎可视化实验研究

利用背光照明和高速相机,对强剪切气动雾化喷嘴出口雾化进行了可视化实验研究,探究旋流中的液膜初始破碎特性及一二级旋流对液膜初始破碎的影响。唯象描述了液膜破碎过程和模式,并分析图像获得表征液膜初始破碎特性的物理量:液膜破碎长度和径向拍振频率。实验结果表明:旋流作用下液膜破碎主要为液袋破碎和液丝破碎模式,这与平面液膜相似,且受工况的影响规律也相同,但旋流作用使得破碎过程和模式叠加,更为复杂。液膜破碎长度主要由一级旋流决定,二级旋向的影响可忽略。径向拍振频率认为是由Kelvin-Helmholtz(KH)和Rayleigh-Taylor(RT)不稳定机理共同主导,且受一二级旋流共同影响;此外,在大气流流量时,同旋更有利液膜失稳破碎,即径向拍振频率更大,而小流量时反旋更利于破碎。进一步由实验数据得到拟合经验公式,两者吻合良好,且发现径向拍振频率可能与旋流数之间存在关联。最终认为旋流作用下液膜更易失稳破碎,且一级旋流决定了液膜初始破碎的基本形态,二级旋流起强化剪切和辅助作用。

超高压产水气井可视化井下节流模拟实验及嘴流模型评价

井下节流可有效防治井口水合物、简化地面流程、降低成本,但该工艺用于超高压产水气井时,气液两相管流和嘴流之间相互影响,使部分井的日产气量与设计值误差较大,准确预测气液通过井下节流器的流量和压降,对指导工艺设计至关重要。为此,在搭建可视化实验装置的基础上开展了井下节流模拟实验研究,分析了不同流型下的气液两相嘴流动态,根据节流器上游流型将实验数据进行划分,评价了现有4种工程常用嘴流模型在不同流型下的表现。研究结果表明,段塞流、搅动流和环状流关于质量流量预测采用的数学模型,分别推荐Ashford模型(相关系数R^(2)=0.92)、Sachdeva模型(相关系数R^(2)=0.80)和Al-Safran模型(相关系数R^(2)=0.96)。选取双探8井开展现场应用,确定节流器下入深度为3000 m,判断流型为搅动流,选取Sachdeva模型计算节流器嘴径为5.3 mm。模型评价结果可为产水气井井下节流工艺设计提供理论依据和指导。

最优化方法可视化实验系统的设计与实现

随着科技的日益发达和计算机技术的广泛应用,最优化方法愈发显示出其重要作用,最优化方法的重要性被愈来愈多的人所认识。实践表明,最优化方法已成为现代管理科学的重要理论基础和不可缺少的方法,被人们广泛地应用到公共管理、经济管理、工程建设、国防等各个领域,发挥着越来越重要的作用。而对于当今社会的大学生而言,则更应当具备这方面的知识和能力。事实上,在众多科技与工程领域中,如果没有最优化算法,就不可能产生一流的研究成果。正因如此,《最优化方法》课程成为大学理工科学生非常重要的一门必修课程,也是国际工程教育认证要求的必修课程之一。

“可视化实验”在高中物理创新实验教学中的运用——利用硫酸铜溶液演示磁场对运动电荷的作用力

通过对传统的洛伦兹力演示仪器进行改进和创新,并利用生活中熟悉的材料和仪器自制创新教具进行洛伦兹力的可视化实验演示,让学生“看见”洛伦兹力,并真实感受到洛伦兹力的存在,更好地激发学生学习物理和探索科学知识的兴趣。

稠油氮气泡沫辅助蒸汽驱可视化实验研究

针对稠油蒸汽驱采收率偏低的问题,利用二维物理模拟设备开展N2泡沫辅助蒸汽驱可视化实验研究,得到了泡沫注入前后油层波及情况以及泡沫驱的微观图像,并对泡沫驱微观机理进行了分析。实验结果表明:由于油水黏度的差异,注采井间容易出现黏性指进现象,从而产生明显的汽窜通道,油层波及范围有限;泡沫驱过程中,泡沫占据多孔介质中的大孔道,使后续流体发生转向进入小孔道,从而扩大油层波及范围;泡沫驱结束后,油层最终波及范围可达到77.93%,比单纯蒸汽驱提高了31.75个百分点;同时,泡沫的乳化作用能够有效地剥离多孔介质中的残余油,从而增大微观驱油效率。