Zastosowanie technologii 3D w nauczaniu fizyki

Stosowanie technologii 3D zazwyczaj kojarzone jest z takimi komercyjnymi aplikacjami jak: LightWave, Maya czy 3DStudioMax. Są to niewątpliwie bardzo dobre profesjonalne programy wyposażone w bogate biblioteki wspomagające tworzenie symulacji. Maja jednak zasadniczą wadę, są bardzo drogie – rzędu kilku tysięcy euro za jedna licencję - jak na warunki finansowe szkoły. W ostatnim czasie pojawiły się jednak liczne freewarowe programy, które umożliwiają tworzenie  animacji 3D, jednak tylko niektórych typów i korzystające z ograniczonej biblioteki materiałów. Przykładem jest program Moray, który służy do projektowania obiektów 3D oraz program POV-Ray służący do reżyserowania odpowiednich scen przy użyciu języka programowania Scene description language. Programy te dostępne są pod adresem http://www.povray.org. Umożliwiają one projektowanie obiektów 3D oraz ich animację przy użyciu rzeczywistych modeli fizycznych np.: projektowanie ruchu prostych ciał w przestrzeni trójwymiarowej. Należy jednak zauważyć, iż język skryptowy użyty w tych aplikacjach jest dość skomplikowany i nadaje się do użytku tylko dla zaawansowanych programistów języków wyższego rzędu.  

Zastosowanie nowoczesnych technik IT  w nauczaniu stało się  możliwe nie tyle dzięki dostępności nowych aplikacji ile dzięki znacznej obniżce cen aplikacji wykorzystywanych do tej pory przez wytwórnie filmowe czy agencje reklamowe. Dostępność ta otworzyła nowe horyzonty przed osobami zajmującymi się wykorzystaniem nowych technologii w nauczaniu fizyki i astronomii.

Otaczający nas świat ma ze swej natury 3 wymiary i tak jest naturalnie postrzegany przez nasze zmysły. Do tej pory pomoce dydaktyczne w formie programów wspomagających nauczanie fizyki bazowały raczej na 2 wymiarowej reprezentacji jaka jest widoczna na ekranach monitorów komputerowych.

Zastosowanie prezentacji 3D jest przydatne na lekcjach fizyki wszędzie tam gdzie nie mamy możliwości w warunkach szkolnej pracowni wykonania odpowiedniego doświadczenia ilustrującego omawiane zjawisko fizyczne. Również wtedy, kiedy wykonanie doświadczenia jest po prostu nie możliwe, ponieważ procesy fizyczne zachodzą albo za szybko – jak w przypadku akcji laserowej, albo bardzo wolno jak w przypadku niektórych rozpadów promieniotwórczych. Nie możemy również obejrzeć struktur bardzo małych, jak atomy oraz nie mamy możliwości badania obiektów położonych daleko, jak planety i obiekty astronomiczne

Budowa atomu wodoru 

Orbitale atomowe

Liczby kwantowe

Trójwymiarowy kształt orbitali elektronu w atomie wodoru dla liczb  kwantowych n=7 , l=6, m=-3, z lewej oraz  n=1-, l-8, m=6 z prawej.

Budowa wewnętrzna atomu, jako trudne zagadnienie, zawsze wymaga odpowiedniej ilustracji graficznej. Do zrozumienia prostych zjawisk wystarczy model atomu Bohra reprezentowany zazwyczaj przez współśrodkowe okręgi, po których, poruszają się elektrony. Jednak wiele zagadnień wymaga szczegółowej znajomości kształtu orbitali. Dla bardzo małych liczb kwantowych można posłużyć się prostymi modelami geometrycznymi, jednak wygląd orbitali dla dużych liczb kwantowych jest dużym problemem.

Dzięki programowi IDL firmy Research System możemy w prosty sposób wygenerować kształt orbitalu elektronowego w atomie wodoru dla liczb kwantowych n<25. Aplikację w wersji demo możemy znaleźć na stronie http://www.rsinc.com/, i jest to wersja wystarczająca dla zaprezentowania kształtów orbitali w atomie wodoru. Znajduje się ona w sekcji Demo/Physic/HydrogenAtom.

Samodzielnie określamy wartość głównej liczby kwantowej n, nastepne orbitalnej liczby kwantowej l oraz magnetycznej m. Otrzymany trójwymiarowy obraz orbitalu możemy przedstawić w różnych opcjach graficznych : punkty, linie, powierzchnie, powierzchnie perforowane oraz w różnych skalach kolorystycznych.

Interferencja fotonów i elektronów

 Fale materii.

Hipoteza de`Brogliea

The Virtual Reality Modeling Language  

http://nssdc.gsfc.nasa.gov/cdf/html/examples.html

Fractal landscapes

http://www.ph.biu.ac.il/~rapaport/java-apps/lscape.html