交互式实验演示软件在中学物理教学中的应用

陈荣环 常晓慧

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

交互式实验演示软件在中学物理教学中的应用

陈荣环 常晓慧

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

运用MATLAB的GUIDE功能制作交互式实验演示软件，可使部分物理实验不受实验条件的限制，并将抽象的物理概念和复杂的物理规律形象直观地呈现给学生，进而为学生学好物理知识和培养物理思维奠定基础.

MATLAB；交互式；中学物理实验

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、通信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、数字化实验系统、传感器技术等被应用于物理课堂教学中，计算机辅助教学已经成为中学物理教师必须进行学习和研究的重要课题.

MATLAB软件在模拟仿真、数值计算、绘制物理规律图线和实验数据处理等方面都具备独特优势，并且简单易学.利用MATLAB的用户图形界面开发程序GUIDE，可制作交互式物理实验演示软件，该软件分为两部分：一部分为用户图形操作界面，在界面上用户可以根据实验的需要建立显示窗口、按钮等各种控件；另一部分为与用户图形操作界面相匹配的程序文件，图形用户操作界面上的控件所对应的程序就被编辑并存储在这个文件中.用户通过图形操作界面上的控件运行已经存储的程序，计算机通过模拟仿真及绘制图线，将复杂、抽象的物理过程，直观地展现在学生面前，使学生对抽象的物理概念理解得更加清晰，从而提高学生的认知和理解能力，达到提高课堂教学效果的目的.

1 有助于学生理解抽象的物理概念

在人教版九年级物理教材“分子热运动”中有如下表述：扩散现象等大量事实表明，一切物质的分子都在不停地做无规则运动.温度越高，分子运动越剧烈.

由于分子的运动跟温度有关，所以这种无规则的运动叫做分子的热运动.

分子是微观粒子，是用肉眼无法直接看到的.学生只靠教材上的描述或是课堂上老师语言的描述，很难在脑海中想象出这些微观粒子的运动形式.利用MATLAB的GUIDE功能可实现分子热运动的动态演示，让学生看到分子位置的实时变化，有助于学生直观感受分子的无规则运动.

分子热运动演示软件的部分程序如下：

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

n=100;

s=0.03;

x=rand(n,1)-0.3;

y=rand(n,1)-0.3;

h=plot(x,y,'.');

axis([0,1,0,1]);

axis square

grid off

set(h,'EraseMode','Xor','MarkerSize',20);

for i=linspace(1,10,10000)

drawrow

x=x+s*rand(n,1);

y=y+s*rand(n,1);

set(h,'XData',x,'YData',y);

end

图1为分子热运动的动态演示软件的用户图形操作界面，点击界面上的“动态演示”按钮，即可在该按钮左侧的演示窗口看到分子位置的无规则的变化.学生通过对分子位置的不确定性、运动无规律性的观察，清楚地理解了“无规则运动”这一概念.

图1

2 加深学生对物理规律的理解

在人教版高中物理“自由落体运动”一节中，介绍了重力加速度，并说明了重力加速度随地球纬度的变化而变化这一规律(如表1).

表1 一些地点的重力加速度g/(m·s-2) ,标准值g=9.80665m·s-2

从表1我们可以看出：重力加速度随着地球纬度的升高而增大.但是，学生在做练习题遇到关于重力加速度的大小与地球纬度关系的考题时往往会感到困惑.因为学生只记得教材里有一张表格，但是具体的变化规律却记得不是很清楚.曲线图像相对于数字表格来说，更加直观化、形象化，便于学生理解记忆.利用交互式实验演示软件可以弥补学生直观感受的不足.重力加速度随地球纬度变化的部分程序如下：

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

p=0:90;

x=p*pi/180;

G=6.67e-11;M=5.98e24;w=2*pi/(24*3600);m=1;

a=6.375558e6;b=6.370e6;

r=a*b*sqrt(1./(b^2*cos(x).^2+a^2*sin(x).^2));

F=G*m*M./r.^2;

F1=m*r.*cos(x).*w^2;

F2=sqrt(F.^2+F1.^2-2.*F.*F1.*cos(x));

str=plot(p,F2,'r-');

title('重力加速度随地球纬度变化');

xlabel('纬度(.)');ylabel('重力加速度(kg/m3)')

grid on

set(handles.axes1,'String',str);

end

图2

如图2所示，点击用户操作界面的“演示按钮”，即可在其左边的窗口中看到重力加速度随地球纬度变化的曲线.通过对曲线图的观察，学生不仅掌握了重力加速度随地球纬度变化的趋势，还了解到重力加速度在不同纬度变化的快慢不同.需要指出的是，在演示软件显示窗口，我们会发现，在地球纬度为0°时，重力加速度的值是接近于9.78m/s2，而不是等于9.78m/s2，这是因为软件中的程序认为地球是一个接近于圆的椭圆，而其实地球不是一个标准的椭圆，因此造成了图中的差别.但其不影响学生对重力加速度随地球纬度变化趋势的理解与记忆，课上老师需向学生说明这一点差别.

3 解决实验条件不足的限制问题

学生只能通过该式，根据其他量的变化去分析相邻的两个亮条纹或暗条纹的中心间距的变化，并不能通过教材中静止的图片观察到其变化.而MATLAB不受实验条件的限制，利用其GUIDE功能，根据光的干涉与衍射原理，分别模拟光的干涉与衍射图样，并给出明暗条纹对应的光强曲线，加深学生对实验结果的理解.

图3为杨氏双缝干涉实验演示软件的界面，学生可以通过设置双缝间距、双缝与接收屏之间的距离来观察不同的干涉条纹以及明暗条纹对应的光强值，也可以通过输入不同的波长来演示不同波长的光的干涉结果.图4为软件模拟同一波长的光在不同条件下的干涉结果.

图3

图4

如图5所示，学生可以通过调节单缝的宽度来观察光的衍射结果.如图6所示，可以了解单缝的宽度与光波波长的关系对衍射结果的影响.图7为软件对同一束光通过不同宽度的单缝产生的衍射现象的模拟.

图5

图6

图7

MATLAB在中学物理教学中的应用还有很多，通过以上的讨论可以发现：适当引入交互式物理实验演示软件辅助教学，可以使教学形象生动，它将有助于物理概念的深化，能将抽象复杂的物理规律有序、可控、清晰、直观地展现在学生面前，这将极大地改善课堂的教学效果.

[1] 魏青.MATLAB软件在中学物理运动学教学中的应用[J].中小学电教,2013,(6)：77.

[2] 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,(11)：40.