MATLAB软件在中学物理运动学教学中的应用

☆魏青

（北京市海淀区教师进修学校附属实验学校，北京 100097）

随着现代信息技术的快速发展，计算机技术在人们生活中的应用日益广泛。以计算机技术、网络技术、通讯技术等为主的信息技术也被广泛应用于物理教育领域中，例如：多媒体课件[1]、数字化实验系统[2]、传感器技术[3]等等被应用于现代物理课堂中。MATLAB软件为国际公认的优秀数学软件，已成为科学研究、工程领域等众多领域应用广泛的科学计算环境和标准仿真平台，具有程序编写简单、绘图方便等独特的优势。在物理学研究领域中，MATLAB软件在数值计算与处理、图形动画可视化、信号处理等各个方面有着广泛的应用，例如：单摆测量重力加速度的实验数据的处理[4]、杨氏双缝干涉实验的可视化仿真[5]等等。在中学物理教学中，也可以采用MATLAB软件来分析和模拟物理过程，将抽象的物理概念、现象和规律显性化，激发学生的学习兴趣[6－8]。另一方面，在物理教学过程中，教师有意识地利用信息技术来向学生展现物理现象和规律，也有利于培养学生运用现代技术解决问题的意识。本文就以在高中物理运动学教学中引入MATLAB软件来分析、模拟运动规律为例，展现将MATLAB软件引入中学物理教学中的作用。

高中物理运动学中涉及到的运动规律一般为理想状态下的运动过程，学生不容易直观认识。另外，高中物理运动学部分注重培养学生利用图像法来处理物理问题的能力。所以，在中学物理运动学部分的教学中，利用MATLAB软件来分析、模拟运动规律，将其通过图像、动画来直观展现，有助于提高学生认识、理解较为抽象的物理运动规律，激发学生学习兴趣。

一、利用MATLAB软件模拟直线运动图像

如图1所示，高中物理中的直线运动包括匀速直线运动，匀变速直线运动。其中，具有两个特例：自由落体运动和竖直上抛运动。认识、对比和理解直线运动的v－t图像和x－t图像对于学生利用图像分析运动规律有着重要的意义。

图1 高中物理直线运动曲线图

图1(a)和(b)中分别为匀速直线运动、匀加速直线运动、匀减速直线运动、自由落体运动和竖直上抛运动的速度时间关系曲线，以及位移时间关系曲线，在教学过程中引导学生分析图像，体会加速度的不同造成的直线运动规律的异同，加深对物理运动规律的理解和认识。

具体程序如下所示：

二、利用MATLAB软件模拟直线运动轨迹

高中物理中涉及到的匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动和竖直上抛运动等等的运动轨迹都可以利用MATLAB软件来进行动画模拟。在高中物理教学中引入运动轨迹的动画模拟并引导学生加以分析，可以使课堂教学更加形象化，有助于学生理解运动规律。以竖直上抛运动为例，利用MATLAB软件中的for循环命令编写程序来模拟竖直上抛运动的运动轨迹，如图2所示为竖直上抛运动轨迹的动画模拟截图。

图2 竖直上抛运动的动画模拟截图

竖直上抛运动运动轨迹动画模拟的具体程序如下所示：

三、利用MATLAB软件模拟合运动轨迹动画

高中物理中对于涉及到的较复杂的运动学规律，都是以等效成同时参与的简单运动来分析的。例如：曲线运动中的平抛运动，可以将其看成水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动；两个匀速直线运动的合成仍然是匀速直线运动；匀速直线运动与匀变速直线运动的合运动为匀变速运动；两个匀变速直线运动的合运动是匀变速运动等等。学生在学习运动的合成与分解时，需要抽象思维的能力，学习中会遇到一定的困难。MATLAB软件可以分析、模拟抛体运动以及合运动问题，将抽象的物理规律显性化表现，加深学生对运动的合成与分解问题的理解。

以一个简单例子为例，如水平方向和竖直方向都为匀加速直线运动，其合运动一定是匀加速直线运动吗？可能是匀加速曲线运动吗？对于这样的问题，有些学生会产生疑惑。那么，借助于MATLAB软件中的comet动画命令可以很直观地向学生展现其合运动的动画轨迹，两个垂直的匀加速直线运动的合成可能为匀加速直线运动，也可能为匀加速曲线运动。

如图3所示，通过MATLAB软件动画模拟，分运动分别为竖直方向和水平方向各做匀加速直线运动时，当其合速度方向与合加速度方向一致时，其合运动为匀变速直线运动；当其合速度方向与合加速度方向不一致时，其合运动为匀变速曲线运动。

图3 合运动轨迹

具体程序如下所示：

总之，专业软件应用于高中物理教学中，有利于演示、分析、模拟物理规律，有助于学生更直观地认识和理解物理规律，激发学生的学习兴趣，是提高中学物理课堂教学效率的一个有效方法。

[1]孙方.多媒体课件的信息加工策略研究[J].中国电化教育,2012,（3）:81.

[2]陈国平.数字化实验系统（DIS）在物理演示实验教学中的应用[J].中国电化教育,2012,(2):96.

[3]汤跃明,谢紫娟,张文杰.传感器技术在中学物理实验教学中的应用[J].中国电化教育,2006,(11):53.

[4]姚琴芬.MATLAB语言在物理实验数据处理中的应用[J].大学物理实验,2011,24(6):52.

[5]师青梅,常宇.MATLAB仿真技术在大学物理光学实验教学中的应用[J].中国电力教育,2012,(5):78.

[6]孟宪松,陈景太.MATLAB软件在中学物理中应用举例[J].中学物理,2012，30(6):40.

[7]卢本全.MATLAB在中学物理教学中的应用[J].硅谷,2010,(17).

[8]孟宪松.利用MATLAB分析滑动变阻器的选择[J].中学物理教学参考,2011,40(3)：40.