MATLAB在中学物理教学中的应用探讨①

张芳芳 姚 斌

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

·教学研究·

MATLAB在中学物理教学中的应用探讨①

张芳芳 姚 斌

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

基于MATLAB的简单编程语言和绘图功能,把它应用在中学物理教学中,可以形象直观地展示抽象的物理过程,使复杂问题简单化,容易激发学生学习物理的兴趣,提高课堂效率,对解决物理的实际问题具有较大的作用.本文介绍了MATLAB在电磁学和力学教学中的应用.

MATLAB;物理教学;应用

1 引言

物理学是自然科学的重要分支,是一门实验性学科,在教学过程中,需要老师在黑板上画出物理过程图,费时、不准确、不能变换参数.随着科学技术的发展,传统的物理教学模式已经不能适应时代发展的要求,因此在物理教学中应该积极改革教学手段,采用现代教育技术.这样不但可以适应时代发展的潮流,而且能够激发学生学习物理的兴趣,使学生们能够容易地掌握物理原理,直观地了解物理过程.本文介绍MATLAB在物理教学中的独有优势及其应用方面.

2 MATLAB的功能简介

MATLAB是Mathworks公司开发的集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体、功能强大、操作简单的教学应用软件.它具有数值计算、专业的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能.抽象的物理问题,可以通过编程,利用图像可视化功能将物理过程的图像展示出来.将MATIAB运用到物理教学中,是一种全新的尝试,能够极大地提高学生学习物理的兴趣,使他们不再畏惧物理学习.

3 MATLAB在物理教学中的应用举例

3.1 模拟电磁复合场中粒子的运动轨迹

假设空间存在一范围足够大的磁场,一质量为m、电量为q(q>0)的粒子从坐标原点沿XOY平面以不同的初速度入射到该磁场中，不计重力，描绘粒子在磁场中的运动轨迹.

程序设计与实现:

function f=fun(t,y);

f=[y(2);0;y(4);100*y(6)*y(1);y(6);-100*y(4)*y(1)];(调用公式)

clearclc

v=5;%带电粒子的初速度(改变数值，会有不同的效果)

sita=pi/6;%带电粒子的入射角(改变数值，会有不同的效果)

vx=v*cos(sita);%粒子初速度在X轴上的分量

vy=v*sin(sita);%粒子初速度在Y轴上的分量

[t,y] = ode45(@fun,[0:0.0005:2],[0,vx,0,vy,0,0]);%求解名为“fun”的微分方程组

Figure;

plot3(y(:,1),y(:,3),y(:,5));%显示曲线图

xlabel('x');%标明X轴

ylabel('y');%标明Y轴

zlabel('z');%标明Z轴

grid on;%绘制网格

figure;

comet3(y(:,1),y(:,3),y(:,5));%显示动态轨迹

带电粒子在电磁场中的偏转问题,比较抽象,学生难以理解,老师为了解决问题而画出的粒子偏转轨迹，并没有准确反应带电粒子的真实轨迹,所以学生很难明白其物理过程.通过MATLAB软件输入上述程序，可以轻松得到带电粒子的运动轨迹(如图1、图2、图3).利用MATLAB简单的编程和强大的绘图功能，将带电粒子在复合场中的运动轨迹生动形象具体地呈现在我们面前,将复杂的物理知识简单化,抽象的物理问题直观化,可激发学生学习物理的兴趣,引发学生积极思考,提高课堂教学中学生的参与度，进而提高课堂效率.

图1 带电粒子在磁场中偏转的动态图

图2 带电粒子在磁场中偏转的截面图

图3 带电粒子在磁场中偏转的截面图

3.2 模拟简谐运动的振动图像

简谐运动的图像不是振动质点的轨迹，振动图像是以t轴横坐标数值表示各个时刻、以x轴上纵坐标的数值表示质点对平衡位置的位移,即位移随时间变化的情况.在平面直角坐标系中,用横坐标表示时间t,用纵坐标表示振动物体相对平衡位置的位移x，将表示各个时刻物体位移的坐标点用平滑的曲线连接起来,就得到简谐运动的图像.简谐运动的振动图像是一条余弦(或正弦)曲线,其表达式为x=Asin(ωt+φ).

程序设计与实现:

clearclc

A=1;%振幅(可以更改)

omiga=1; %角频率(可以更改)

x=0; %(可以更改)

u=10;%(可以更改)

fai0=0; %初相位(可以更改)

t=-2*pi:pi/20:2*pi;%t的取值范围(可以更改)

y=A*cos(omiga*(t-x/u)+fai0);%公式

plot(t,y); %画图函数

grid on; %网格

4 结束语

通过上述两个例子,MATLAB在物理教学方面的优越性一目了然.软件中的指令简单,可以方便快捷地完成物理图形,使抽象的物理问题形象化,便于学生更好地理解物理过程,容易激发学生的学习兴趣,提高学生们的思维能力,同时简单的编程语言使得软件的操作性更强,节省教学时间,可提高课堂效率.

[1] 王维青.用MATLAB软件制作物理演示实验[J].太原师范学院学报,2003,(2).

[2] 李秋月,孙佳慧,华宏图.把Matlab软件引进高等数学课堂教学中[J].电脑知识与技术,2010，(16).

[3] 杨建强,罗先香.MATLAB软件工具箱简介[J].水科学进展,2001,(12).

①通讯作者：姚斌(1980— )，男，云南玉溪人，博士，云南师范大学物理与电子信息学院副教授、硕士生导师，主要研究大学物理教学.