Eine zeitabhängige DGL 1.Ordnung Im
nächsten Beispiel geht es um eine explizite Zeitabhängigkeit.
Das Lutschproblem war in dem Sinne zeitunabhängig als das Pfeilsystem
nur von m abhing: Die Pfeile auf Parallelen zur m-Achse waren daher überall
gleich. Betrachten wir nun das "Kaffeetassenproblem":
Für die zeitliche Änderung von T ergibt sich daher der Ansatz
DT = a ( TA(t) -T(t) )Dt.
Wie im vorigen Beispiel zeichnen wir auch hier wieder die Pfeile im T-t-System:
T(t) = a (T1- T2)/(a- l) (e-l t -e-at) + e-at (T0- T2) + T2) . Die benutzte grafische Methode sollte in den Grundzügen schon in
der SI einmal aufgetaucht sein, nämlich bei der Behandlung von Feldlinien.
Sie ergeben sich aus dem elektrischen oder magnetischen Kraftfeld genauso
wie die Lösungen der DGL aus dem Pfeilsystem. Ein System von Magnetnadeln
oder, wie im folgenden Beispiel, ein System von elektrischen Kraftpfeilen
kann ganz konkret als Wegweiser im Raum aufgefasst werden. Startet man
an einem beliebigen Punkt des Feldes und folgt den Pfeilen, dann beschreibt
man eine einzelne Feldlinie:
Die Pfeilsysteme der vorangegangenen Beispiele wurden mit MATHEMATICA berechnet. MATHEMATICA ist das z.Zt. wohl mächtigste Computeralgebrasystem für den PC. Für den Unterricht empfiehlt es sich vor allem durch folgende Eigenschaften: - Es ist interaktiv. Jede Zeile wird nach Art eines Interpreters an den "Kernel", das eigentliche Verarbeitungsprogramm, übergeben und abgearbeitet. Die Wirkungen von Änderungen des Codes können daher sofort beobachtet werden. - MATHEMATICA verfügt über bestechende Grafikmöglichkeiten. - Programmcode kann in den meisten Fällen in der gewohnten mathematischen Schreibweise eingegeben werden. - Das Programm ist durch Preissenkungen in den vergangenen Jahren sehr erschwinglich geworden. Trotzdem lassen sich mit MATHEMATICA auch umfangreiche Programme schreiben. Als Nachteil könnte man anführen, dass die von MATHEMATICA verwendete Programmiermethode (funktional statt prozedural) zu Beginn einige Schwierigkeiten mit sich bringt, insbesondere für den Benutzer, der eine prozedurale Sprache wie PASCAL gewohnt ist. Für das Zeichnen von Vektorfeldern gibt es in MATHEMATICA einen eigenen Befehl (PlotVectorField). Das obige E-Feld wurde so durch die folgenden wenigen Programmzeilen erzeugt:
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