Charge Particle Sandbox

Песочница электростатического взаимодействия

Описание проекта

Предыстория: 

Заряженные частицы являются фундаментальным компонентом нашей повседневной жизни. Одно только электричество необходимо для современных технологий, включая компьютеры, Zoom, освещение и многие другие. Несмотря на такое значение заряженных частиц, физика их взаимодействия друг с другом может быть загадочной, особенно при рассмотрении сети из нескольких зарядов. Поскольку эти частицы невидимы невооруженным глазом, их можно не заметить и неправильно понять. Наш проект стремится пролить свет на этот субатомный мир с помощью интерактивного моделирования, доступного для всех возрастов.

Цели: 

Основная цель этой песочницы – предоставить учащимся, впервые изучающим электростатику, возможность исследовать и экспериментировать с кулоновскими взаимодействиями заряженных частиц простым и поучительным способом. Проект может служить дополнительным доказательством эффективности обучения физике с помощью виртуальных симуляций.

Обзор:

Используя принципы информатики и наши знания, полученные в версии 8.02, мы запрограммировали на C# с помощью игрового движка Unity интерактивную трехмерную песочницу с частицами заряда, которая позволяет пользователям полностью создавать среду со сферическими зарядами и видеть общую кулоновскую силу, испытываемую каждым зарядом в как в векторной, так и в числовой форме. Мы также добавили функцию возобновления паузы, котораяich размораживает заряды в их положении, чтобы пользователи могли легко увидеть тип движения, создаваемого силами притяжения и отталкивания, порожденными законом Кулона, хотя и не принимая во внимание эффекты индуцированных электрических и магнитных полей для этой модели.

Основные характеристики:

Дружественный интерфейс

Приступая к проекту, мы хотели убедиться, что его смогут использовать студенты-физики любого возраста. Таким образом, начиная с главного экрана-заставки, игра была разработана в простой и мгновенно узнаваемой форме, которую можно было запустить на любом компьютере, что позволило большему количеству учащихся воспользоваться обучающими преимуществами игры.

<р>

Сборы: 

Самым важным физическим аспектом нашей песочницы являются заряды. В каждом кадре система перебирает глобальный массив зарядов и вычисляет общую силу Кулона, которая будет отображаться на каждом заряде, используя закон Кулона и значения заряда, установленные пользователем в меню «Информация о заряде». Эти значения форсировки затем передаются в остальную часть системы для обработки.

<р>

<р>

Функции навигации и оплаты:

С самого начала мы стремились сделать эту песочницу максимально простой и настраиваемой. Таким образом, мы хотели дать пользователям полный контроль над навигацией по всей космической среде и перемещением зарядов туда, куда они хотят.

С помощью колеса прокрутки мыши, WASD или стрелокклавиши ряда, пользователь может перемещаться вперед и назад по всему миру, используя клавишу Shift, чтобы придать движению ускорение, или клавишу управления, чтобы перемещаться вверх и вниз, а не вперед/назад. Удерживая правую кнопку мыши, пользователь может поворачивать камеру в любом направлении, чтобы осмотреться.

Что касается зарядов, в любой момент пользователь может перетащить заряд левой кнопкой мыши, чтобы изменить его положение в плоскости x-y экрана. Кроме того, пользователь может перетаскивать заряд средней кнопкой мыши или левой кнопкой мыши и клавишей управления, чтобы изменить его положение в плоскости x-z, предоставляя пользователю возможность управления размещением во всех трех направлениях. Изначально все заряды начинаются в режиме паузы. Это означает, что они не реагируют на электрическую силу, воздействующую на них другими зарядами, вместо этого отображая линию, указывающую относительное направление и величину общей силы на самих себя. Когда пользователь перетаскивает заряды по миру, эти силовые линии автоматически обновляются, отражая текущее состояние. Нажав кнопку «Отменить паузу» в меню «Информация о заряде» или «Сборка» или нажав кнопку «p», когда заряд выделен, пользователь может возобновить заряды, заставив их физически получить силу, указанную силовой линией. Хотя это точно отражает движение сил, создаваемых законом Кулона, в среде без трения, мы должны отметить, что это не учитывает какие-либо индуцированные электрические или магнитные поля от движущихся зарядов, поскольку это не было нашим расчетом.в целях проекта.

Меню информации о платежах: 

Когда пользователь выбрал списание (обозначается выделением, которое появляется после нажатия на списание), на экране появляется меню информации о начислении, отображающее всю важную информацию об этом списании. В верхней части динамически обновляемые метки предоставляют количественные значения силы, действующей на заряд во всех направлениях, и общую величину. Ниже находится ползунок, который позволяет пользователю обновлять значение заряда сферического заряда, получая визуальное изменение цвета при изменении полярности заряда. Наконец, в нижней части меню есть несколько кнопок для дальнейшего расширения возможностей пользователя по настройке песочницы, в том числе кнопка для приостановки и возобновления заряда, кнопка для нейтрализации выделенного заряда до 0 кулонов и кнопка для удаления выбранного заряда. зарядка.

<р>

<р>

Режим создания заряда: 

Нажав кнопку "Открыть меню сборки" в левом верхнем углу экрана, пользователь переключается в режим сборки, являющийся основой компонента песочницы нашей симуляции. В верхней части меню "Сборка" пользователь имеет возможность настроить малые заряды, чтобы изменить заряд, радиус и массу сферических зарядов, в которых они появляются. Затем, если кнопка "Переключить размещение" включена, пользователь может просто нажать на экран и заряд будут генерироваться в этом месте со свойствами, установленными пользователем. В разделе «Настройки мира»Кроме того, пользователь имеет возможность влиять на свойства, связанные со всеми расходами в среде, включая приостановку всех сборов, возобновление всех сборов, удаление всех сборов и взимание всех сборов с установленного пользователем тарифа. Когда пользователь закончит сборку, он может просто нажать кнопку «Закрыть меню сборки», чтобы вернуться в режим выбора и продолжить исследование.

<р>

Отражение:

Здесь вы можете найти песочницу и использовать ее как источник инструкций, развлечений или вдохновения для будущих проектов. Даже без твердых предыдущих знаний о разработке 3D в Unity программирование и создание этой игры было осуществимо, весело и поучительно как для нас, создателей, так и для потенциальных пользователей. Таким образом, мы призываем будущих студентов использовать свои навыки и творческий потенциал для дальнейших экспериментов и разработки точных моделей и учебных пособий по любому интересующему их предмету, не ограничиваясь физикой.