Modelleren 1: iteratief proces

Martijn Leensen
6 Mar 202109:49

Summary

TLDRThis video introduces numerical modeling in physics education, focusing on its application in common scenarios. It contrasts numerical methods with analytical methods, highlighting the former's ability to handle complex situations unsolvable by the latter. The tutorial walks through creating a simple numerical model for an object's motion, demonstrating iterative calculations over time steps to predict movement. It compares this approach with analytical solutions, showing how numerical models can provide precise answers even when direct formulas are inapplicable.

Takeaways

  • 📚 Numerical modeling is an essential part of physics education for students.
  • 🔍 It is important for exams as it helps solve physics problems using numerical methods.
  • 🌐 Numerical modeling is used when analytical methods are too complex or inapplicable.
  • 🕒 It involves breaking time into small steps to understand changes over time.
  • 🔢 Numerical models use iterative processes to calculate what happens at each time step.
  • 📈 The method can be applied to complex situations where analytical solutions are not feasible.
  • 📝 Two approaches to numerical modeling in physics education are graphical and textual methods.
  • 📋 The script focuses on the textual method, which is more straightforward for beginners.
  • 🚗 An example is given using a car moving at a constant speed to demonstrate numerical modeling.
  • 📉 The model starts with initial values, calculates displacement for each time step, and stops when a condition is met.
  • 📊 The numerical model provides values at each second, which can be connected to form a line similar to the analytical solution.

Q & A

  • What is the main topic of the video series?

    -The main topic of the video series is numerical modeling for physics students, focusing on how to apply it in various common situations and what one must be able to do and know when numerically modeling in exams.

  • What are the two different ways a physicist can approach a situation?

    -A physicist can approach a situation either analytically using formulas that perfectly describe the situation, or numerically using a numerical model to simulate what happens in the situation through an iterative process.

  • What is the advantage of using an analytical method?

    -The advantage of using an analytical method is that once you have the correct formula and start with clear, precise measurement values as input, you can formulate a fairly accurate answer.

  • What is the main concept behind numerical modeling?

    -The main concept behind numerical modeling is to divide the time you want to investigate into small time steps, called time increments, and during each time increment, you look at what happens to the variables of interest in a simplified environment.

  • Why is numerical modeling necessary for complex situations?

    -Numerical modeling is necessary for complex situations because they can be so complex that there are no good analytical solution methods available. Numerical models can provide accurate answers when analytical models cannot perfectly describe the situation.

  • What are the two types of modeling approaches in physics education?

    -The two types of modeling approaches in physics education are the graphical method and the textual method. The video focuses on the textual method, but acknowledges that the graphical method is equally valid.

  • How does the iterative process in numerical models work?

    -The iterative process in numerical models works by repeating the calculation of the variables of interest after each time increment, updating their values, and storing them for later retrieval until a stopping condition is met.

  • What is the first step in creating a numerical model according to the script?

    -The first step in creating a numerical model is to define the initial values for each of the variables that the model will calculate, also known as start values.

  • How is the displacement calculated in the first time step in the example given?

    -In the example, the displacement in the first time step is calculated using the same formula as in the analytical method, which is displacement equals velocity times the duration of the time step.

  • What is the stopping condition used in the example provided in the script?

    -The stopping condition used in the example is that the model should stop when the time is greater or equal to five seconds, as the movement is to be examined over that duration.

  • How does the numerical model compare to the analytical method in terms of the values it provides?

    -The numerical model provides values for x at every whole second, similar to the analytical method, but it also includes intermediate values between each second, creating a stepped line rather than a straight line when plotted.

Outlines

00:00

📐 Introduction to Numerical Modeling in Physics

The first paragraph introduces the concept of numerical modeling in physics education. It explains that numerical modeling is a part of the final exam and is essential for students to learn. The paragraph discusses the two main approaches a physicist can take to analyze a situation: analytical methods using formulas that perfectly describe the situation, and numerical methods using iterative processes to simulate what happens over time. The advantage of numerical modeling is highlighted, particularly in complex situations where analytical solutions are not feasible. The paragraph also mentions that the series of videos will focus on how to apply numerical modeling in common situations and what students need to know for exams.

05:01

🔢 Numerical Modeling Process and Example

The second paragraph delves into the process of numerical modeling with a specific example. It describes how to set up a numerical model by defining initial values, calculating the displacement (delta x) in the first time step, and then iteratively updating the position of an object. The paragraph uses the example of a car moving at a constant speed to illustrate the process. It explains how to create a text model with columns for model rules and initial values, and how to iterate through time steps to calculate the new position after each second. The paragraph concludes by comparing the results of the numerical model to the analytical method, showing that both yield the same values for position at each second, but the numerical model provides additional data points in between seconds, creating a stepped line rather than a straight line.

Mindmap

Keywords

💡Numerical modeling

Numerical modeling is a method used in physics to simulate complex situations using numerical methods and algorithms. It involves creating a mathematical model that approximates the behavior of a system. In the video's context, numerical modeling is used to predict the motion of an object over time, particularly when analytical solutions are not feasible due to the complexity of the situation. The script mentions that numerical models use iterative processes to break down time into small steps and calculate the changes in variables of interest.

💡Analytical method

The analytical method is a traditional approach in physics that uses mathematical formulas to describe a situation perfectly. It is highly accurate when the correct formula is known and precise input values are provided. The video contrasts this method with numerical modeling, highlighting that while analytical methods are precise, they may not be applicable to all situations, especially those that are too complex to be described by simple formulas.

💡Iterative process

An iterative process is a repeated series of calculations that are performed to achieve a desired outcome or to converge on a solution. In numerical modeling, as explained in the script, an iterative process involves breaking down the time of interest into smaller time steps and calculating what happens at each step. This process is essential for numerical models as it allows for the simulation of complex systems that cannot be easily solved analytically.

💡Time step

A time step refers to the small, discrete intervals of time into which the total time period is divided in numerical modeling. The script uses the term 'time step' to illustrate how numerical models progress through each small interval to calculate the state of the system at successive moments. This concept is crucial for understanding how numerical models build a picture of the system's behavior over the entire period of interest.

💡Start value

The start value, also known as the initial condition, is the value of a variable at the beginning of a simulation. In the context of the video, the start value is mentioned as a critical input for the numerical model, setting the stage for the iterative calculations that follow. For example, the script discusses a scenario where an object starts at a position of zero at time t=0.

💡Displacement

Displacement is the change in position of an object. The script uses displacement (referred to as 'delta x' or 'dx') to describe how far an object moves during each time step in the numerical model. It is calculated by multiplying the object's velocity by the length of the time step, which is a fundamental operation in the iterative process of numerical modeling.

💡Velocity

Velocity is a vector quantity that represents the rate of change of an object's position with respect to time. In the script, velocity is given as a constant value (20 meters per second) and is used to calculate the displacement of an object during each time step. Velocity is a key variable in both analytical and numerical methods for modeling motion.

💡Stop condition

A stop condition is a criterion that determines when to end the iterative process in numerical modeling. The script mentions that for the numerical model to be useful, one must define when to stop the simulation. In the example given, the stop condition is when the simulation time reaches or exceeds five seconds, which is the total duration of interest for the motion being modeled.

💡Text models

Text models are a form of numerical model that uses text-based rules to describe the behavior of a system. The video script specifically focuses on text models over graphical models, although it acknowledges that both methods are valid approaches to numerical modeling. Text models are characterized by their simplicity and the use of explicit rules, making them accessible for educational purposes as discussed in the script.

💡Graphical method

The graphical method is an alternative approach to numerical modeling that uses graphical representations to visualize and solve problems. While the script does not delve into the graphical method, it mentions that it is equally valid and may be offered alongside text models in exams, allowing students to choose the method they prefer.

Highlights

Introduction to numerical modeling for physics students.

Numerical modeling is a part of the final exam.

Analytical and numerical methods are two approaches in physics.

Analytical methods use formulas to describe situations perfectly.

Numerical methods use iterative processes to simulate situations.

Numerical models are essential for complex situations that lack analytical solutions.

Numerical modeling is often used in higher education and scientific research.

The video will focus on text-based numerical modeling.

Graphical and text methods are both valid approaches to modeling.

Students will be presented with both graphical and text methods in exams.

The video uses a simple motion scenario to explain numerical modeling.

The first step in numerical modeling is defining initial values.

The model calculates the displacement in the first time step.

The model iteratively calculates new positions based on displacement.

A stopping condition is necessary to determine when the model should stop.

The model is demonstrated with a car moving at a constant speed.

Numerical models can provide the same answers as analytical models.

The model outputs values at each whole second, similar to the analytical method.

Numerical models may show a step-like pattern rather than a smooth line.

The video concludes by comparing the numerical model's results with the analytical method.

Transcripts

play00:04

dit is de eerste video in een reeks over

play00:07

numérique moduleren

play00:08

voor natuurkunde leerlingen want en nu

play00:11

ben ik moet leren vormt een onderdeel

play00:13

van het eind schamen dus je moet dit

play00:15

kunnen op het eindexamen

play00:17

en wat we gaan doen en deze serie

play00:19

filmpjes eens kijken naar wat nu maar ik

play00:21

moet het modelleren nu eindelijk eens

play00:23

hoe je die kunt toepassen in een aantal

play00:25

veelvoorkomende situaties en ook wat je

play00:29

nou precies moet kunnen en kennen

play00:30

wanneer numérique moeten modelleren in

play00:33

een vraag krijgt bijvoorbeeld op een

play00:35

toets of op je eindexamen

play00:36

nou allereerst is de vraag wat is nu aan

play00:39

het numeriek moduleren

play00:40

nou bij een numeriek moduleren ben je

play00:42

geïnteresseerd in bepaalde situatie die

play00:45

wil je vanuit natuurkunde bureel

play00:47

gaan bekijken en een natuurkundige heeft

play00:49

altijd twee verschillende manieren

play00:51

waarop hij of zij dat kan doen dat kan

play00:54

via de analytische manier waarbij je

play00:56

gebruik maakt van formules die de

play00:58

situatie perfect beschrijven

play01:01

het grote voordeel is dat wanneer je de

play01:03

goede formule hebt en wanneer je begint

play01:06

met duidelijke nauwkeurige meetwaarden

play01:10

als input dan kun je ook een vrij

play01:12

precies een vrij nauwkeurig antwoord

play01:14

formuleren

play01:15

ook dit is eigenlijk wat je vrijwel

play01:17

altijd doet als je een rekensom maakt

play01:20

voor natuurkunde

play01:21

naast de analytische methode kun je ook

play01:23

gebruik maken van de numerieke methoden

play01:25

waarbij je een numeriek model gebruikt

play01:27

om door te garen en laten rekenen wat er

play01:29

gebeurd in de situatie maar in

play01:32

geïnteresseerd bent

play01:33

en zo'n numeriek model maakt altijd

play01:35

gebruik van een zogenaamd

play01:36

iteratief proces en integratief daarmee

play01:39

wordt bedoeld een herhalend proces wat

play01:42

je het namelijk doet bij numeriek model

play01:44

is de tijd die je wilt onderzoeken die

play01:48

op te delen in kleine stukjes tijd

play01:50

zogenaamde tijd stapjes en gedurende elk

play01:53

tijd stapje ga je kijken in een vaak wat

play01:56

versimpelde ziet u versimpelen omgeving

play02:00

wat er nu gebeurt met jou grootheden

play02:02

waarin je geïnteresseerd bent

play02:04

en door al die tijd stapjes achter

play02:06

elkaar door te rekenen kun je

play02:07

uiteindelijk ook niet zeggen wat er dan

play02:09

gebeurt met die grootheden

play02:10

gedurende de hele tijd waarin je

play02:12

geïnteresseerd bent

play02:14

dit klinkt allemaal heel erg complex en

play02:16

overbodige licht maar nu nu wil ik mijn

play02:18

modelleer heeft ook een groot voordeel

play02:19

dat is namelijk dat je met numeriek

play02:22

moduleren ook iets kunt zeggen bij

play02:24

complexe situaties situaties die zo

play02:27

complex zijn dat je daar eigenlijk geen

play02:29

goede analytische oplossingsmethode van

play02:31

uit en lopen het blijkt al in de

play02:33

praktijk het geval te zijn op het moment

play02:34

dat je gedetailleerd gaat kijken naar

play02:36

bepaalde situaties of naam bepaalde

play02:39

processen

play02:40

dan kom je er vaak alle achter dat die

play02:43

processen als je echt op de detail gaan

play02:45

kijken complexer is dan dat je met

play02:48

analytische methodes kunt oplossen dus

play02:50

heel vaak zeker in het vervolgonderwijs

play02:53

en zeker ook bij wetenschappelijk

play02:56

onderzoek moet je wel gebruik maken van

play02:58

numerieke modellen

play02:59

omdat je anders niet tot dezelfde

play03:01

nauwkeurige antwoorden kunt komen als

play03:03

dat je zou willen wanneer je gebruik

play03:05

maakt van de analytische modellen

play03:07

waarmee je dan de situatie niet perfect

play03:10

kunt beschrijven in deze reeks

play03:12

ga ik gebruik maken van

play03:16

text modellen ik zeggen te expliciet

play03:18

want je hebt 2 soorten manieren om naar

play03:21

moduleren te kijken in de en vwo

play03:24

dat kan via de grafische manier en via

play03:26

de tekst manier naar de grafische

play03:28

manieren ga ik geen aandacht aan

play03:29

besteden

play03:29

alleen aan de tekst manier maar de

play03:33

grafische manier is even goed en op hun

play03:35

eindexamen bij een eindje samen opgraven

play03:37

krijg je ook allebei zowel de grafische

play03:40

als de tekst methode

play03:41

krijg je allebei aangeboden dus dan kun

play03:43

je altijd nog kiezen wij gaan nu maar ik

play03:45

moet de moduleren uitleggen aan de hand

play03:48

van een hele simpele situatie en dat is

play03:50

dat ik te maken heb met de een paar

play03:51

snelheid en voor hebt voert een een paar

play03:54

ge

play03:54

met beweging uit waarbij het voorwerp op

play03:57

tijdstip t is 0 zich bevindt op plaats

play03:59

ik ze snel

play04:01

nou heel simpel en deze situaties zo

play04:04

simpel dat je een ook een hele simpele

play04:05

analytische oplossingsmethode van hebt

play04:07

en dat is de formule x is vlt op elke

play04:10

willekeur tijdstip t kun je uitrekenen

play04:12

hoe groot de plaats is van het voorwerp

play04:15

stel ik wil deze situatie gaan

play04:18

vastleggen in een numeriek model

play04:20

hoe ziet dat er dan ongeveer uit welke

play04:22

stappen zal ik dan moeten doen

play04:23

nou de eerste stap en dat is eigenlijk

play04:26

al een standaard stad een hele

play04:27

belangrijke stap is dat je tegen het

play04:29

model moet zeggen wat de beginwaarde

play04:31

zijn van elk van de grootheden waarmee

play04:34

het model moet gaan rekenen en dat heet

play04:36

dan de startwaarde

play04:38

vervolgens ga je uitrekenen hoe groot de

play04:42

verplaatsing is van het voorwerp in de

play04:44

eerste tijd stap

play04:46

verplaatsing noem ik hier de delta x

play04:48

wordt ook vaak dx genoemd en op het

play04:51

moment dat ik voor verplaatsing weet in

play04:53

de eerste tijd stap dan kan ik die

play04:55

optellen bij de plaats die ik al had en

play04:57

dan kan ik een nieuwe plaats

play04:59

berekenen en omdat dit soort simpele

play05:01

situaties ben ik nu eigenlijk al klaar

play05:02

met mijn model en nu kan ik tegen model

play05:06

zeggen nou je mag nu een tijd stap

play05:08

verder en delta t vaak ook dt die tijd

play05:12

stap verder en begin maar weer opnieuw

play05:14

bovenaan dus ga ma in de tweede tijd zat

play05:16

uitrekenen wat daar

play05:18

delta x wordt en tel die dollar weer op

play05:20

bij de plaats die je al had en krijgt zo

play05:23

weer een nieuwe plaats

play05:24

nou zo gaat dat model gaat die stap

play05:28

herhalen en herhalen en telkens na dat

play05:30

het ziektes heeft gedaan

play05:32

slaat het alle grootheden ook natuurlijk

play05:34

op zodat je het later kunt terugvragen

play05:36

nou dit is dus dat cyclische proces dat

play05:39

iteratieve proces waarmee

play05:41

numerieke modellen werken en dat

play05:44

betekent dus ook dat je op een gegeven

play05:45

moment tegen het model moet zeggen en nu

play05:47

mag stoppen

play05:48

dus je hebt ook altijd een stop conditie

play05:50

nodig dit is heel algemeen hoe je deze

play05:53

deze een paar gedwee ging zou kunnen

play05:55

modelleren nu gaan we dus met

play05:57

getalletjes doen en gaan ook echt het

play05:59

model

play06:00

proberen te schrijven de situatie met

play06:03

getallen laat ik dan volgens situatie

play06:05

nemen dan komt de autobahn die rijdt met

play06:07

de site van 20 meter per seconde op

play06:09

tijdstip t is 0 bevindt u zich op plaats

play06:12

x is 0 en ik wil de de plaats de

play06:16

beweging eigenlijk vanuit de vastleggen

play06:17

gedurende vijf seconden oké we gaan we

play06:20

tekst model maken een tekst model ziet

play06:22

er eigenlijk als volgt uit altijd ik heb

play06:24

twee kolommen in de linkerkolom komen

play06:26

naakte model regels en in de rechter

play06:28

kolom

play06:29

zet ik alles startwaarde die het model

play06:31

nodig heeft en de startwaarde die het

play06:34

model nodig heeft dus zijn deze stad

play06:35

waren

play06:36

die zijn net ook al genoemd ik weet hier

play06:38

dus al de snelheid die is 20 meter per

play06:40

seconde

play06:41

en laten we hier als ze tijd stap gewoon

play06:44

een seconde nemen wat je al ziet is dat

play06:47

die startwaarde het zijn gewoon getallen

play06:48

je hoeft er geen eenheden achter te

play06:50

zetten dan kan het model niet meer

play06:51

werken is voor het model ook helemaal

play06:53

niet belangrijk

play06:55

oké dan gaan we het model de opdracht

play06:56

geven om te doen wat we willen dat hij

play06:58

doet

play07:00

allereerst moet hij gaan uitrekenen hoe

play07:01

groot de verplaatsing is in de eerste

play07:03

tijd stap en daarvoor gebruiken uit

play07:05

dezelfde formule als die u bij de

play07:06

analytische methode hadden de

play07:08

verplaatsing is gelijk aan de snelheid

play07:10

waarmee de auto beweegt maal de lengte

play07:12

de tijdsduur van tijd stap en ik ga je

play07:15

dus deze vergelijking als ik te

play07:18

verplaatsen weten in het eerste tijd

play07:20

stap dan tel ik die op bij de plaats die

play07:22

ik al had dat doe ik doe ik een tweede

play07:25

regel

play07:26

en dan ben ik eigenlijk al klaar en dan

play07:27

kan ik in de derde regel zeggen

play07:28

en laten we nu dan doorgaan dat volgende

play07:31

tijd stap

play07:32

reken uit wat de nieuwe tijd wordt door

play07:35

de tijd stap op te tellen bij de oude

play07:38

tijd die ik had en dit blijft u dus

play07:40

herhalen totdat dus topconditie

play07:44

aan dus topconditie is voldaan nou en

play07:46

dus topconditie ziet er uit in de vorm

play07:47

van ja je mag stoppen als het de tijd

play07:49

een groter of gelijk dan vijf seconden

play07:52

wordt want ik wil de verplaatsing

play07:55

bekijken

play07:55

gedurende die vijf seconden oké wat

play07:58

rijker dan uit uit het model nou eerst

play08:01

eventjes wat kijker uit wanneer ik de

play08:03

analytische methode pak

play08:05

nou die is bekend het is natuurlijk een

play08:08

eenvoudige beweging dus te krijgen

play08:10

rechte lijn door de oorsprong

play08:12

en dat ziet er dan zo uit de beweging

play08:15

van de auto geduren de eerste 5 seconden

play08:17

met ons model

play08:19

krijg ik iets wat wel op lijkt maar toch

play08:21

net iets anders in elkaar zit ons model

play08:23

geeft namelijk na elke tijd stap en hier

play08:26

is dat na elke seconde de waarde van

play08:28

alle grootheden waar hebben

play08:29

geïnteresseerd zijn

play08:30

dus ik krijg puntjes ik krijg ik in

play08:32

totaal 6 puntjes

play08:34

tussen nul en vijf seconden en je ziet

play08:37

dat een deze deze situatie kunst ook nog

play08:40

eens mooie lijn liggen

play08:41

dat hoeft niet altijd zo te zijn dan kom

play08:43

ik nog op terug maar ons numeriek model

play08:45

geeft die in dezelfde waarden en

play08:48

voor x op elke hele seconden als ons

play08:52

analytisch model

play08:53

alleen het is zo belangrijk om je te

play08:55

realiseren dat tussen elke hele seconden

play08:58

wij nu niks hebben berekend

play09:00

we hebben eigenlijk gezegd berekenen die

play09:03

nieuwe plaats uit wat hij dan heeft na

play09:07

een seconde en we doen eigenlijk net

play09:09

alsof gedurende die hele eerste seconde

play09:13

het voor heb daar al is dus je ziet dat

play09:16

je een soort trap je krijgt je rekent

play09:19

nieuwe plaatsen uit en passen seconden

play09:22

later reken je weer de nieuwe plaats uit

play09:24

die die heeft na 2 seconden en pas mens

play09:26

kon laten de nieuwe plaat staan drie

play09:27

seconden uiteindelijk hou je die puntjes

play09:31

over natuurlijk

play09:32

en wanneer je een mooie rechte lijn door

play09:34

die puntjes trekt dan zul je zien dat in

play09:36

deze situatie waarbij de ze een paar de

play09:39

beweging hebben gemodelleerd ons model

play09:42

eigenlijk hetzelfde verbrand laat zien

play09:44

en dat dezelfde waarde als de

play09:46

analytische methode

Rate This

5.0 / 5 (0 votes)

相关标签
Numerical ModelingPhysics EducationAnalytical MethodsEducational SeriesNumerical MethodsScience LearningExamination SkillsIterative ProcessComplex SituationsScientific Research
您是否需要英文摘要?