论文《MATLAB在中学物理实验教学的应用》-仁创编译转载

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　　摘要：本文利用Matlab在动态绘图方面的优势，通过建模、编写程序并模拟仿真，让几个中学物理中不易观察的实验：平抛运动、斜抛运动、布朗运动、洛伦兹力和牛顿环形象直观演示，便于教师教学，增强学生的学习兴趣。

　　关键词：平抛运动;斜抛运动;布朗运动;洛伦兹力;牛顿环;中学物理实验;Matlab

　　物理学是一门实验科学，在学习物理知识时，我们必须依赖物理实验才能更深的去探究自然科学规律。但是在实际教学活动中，由于各种条件限制，有些实验并不方便演示或比较难以观察。本文利用Matlab软件仿真平台，将中学物理教学中的平抛、斜抛运动过程，布朗运动过程，带电粒子磁场中的运动，牛顿环干涉现象四个比较典型的物理实验进行编程仿真，利用多媒体进行实时演示，形象直观的展示这些物理现象及运动过程，不仅让教学过程变得生动，加深了学生对相关物理现象理解和认识，便于教学中引导同学们观察和分析。

　　1MATLAB在力学实验演示中的应用

　　在进行斜抛和平抛运动实验演示中，由于物体下落速度比较快，比较难观察，所以借助MAT-LAB高级绘图功能和动态演示功能，通过程序编写模拟出其运动过程，不仅让教学过程变得生动，使学生真正了解斜抛和平抛的物理运动过程。加深了对布朗运动的理解和认识。

　　1.1MATLAB在平抛物理实验演示中的应用

　　平抛运动是物体初速度水平且只受重力作用时的运动(忽略空气阻力时)，平抛运动的运动过程发生比较迅速，上课时学生不容易观察，所以借助matlab编写程序模拟仿真出平抛运动的运动过程，在实际教学中，通过多媒体进行展示，会得到很好的教学效果。编写仿真程序如下：vx=40;t=0：0.01：10;x=vx*t;y=-9.8*t.^2/2;comet(x，y)%演示平抛运动程序运行结果如图1所示。分析：在本例子中，物体水平抛出后，物体仅受竖直向下的重力作用，在这里，我们取重力加速度为g=9.8m/s2。物体在水平方向不受力，所以水平方向分速度vx也将保持不变，在运动开始的时候水平初速度是v0，即在整个运动过程中始终有vx=v0;在竖直方向，物体开始水平抛出时竖直方向分速度为0，物体在竖直方向的分速度vy与时间t的关系是vy=gt;物体抛出后在竖直方向做初速度为0点的匀加速直线运动，这里我们设高度为500米，由y=gt2/2得出所需时间为10秒，物体水平抛出时的初速度为v0=40m/s，在水平方向的位移就为x=vxt=400米。在教学中，教师可根据教学需要，可以设置需要的参数。

　　1.2MATLAB在斜抛物理实验演示中的应用

　　斜抛运动是物体被斜向上方或斜向下方抛出后，在仅受重力作用下所做的运动，它的受力情况与平抛运动完全相同：在水平方向不受力(忽略空气阻力时)，加速度为0，做匀速直线运动;在竖直方向只受重力，做加速度大小为g的匀变速直线运动。编写仿真程序如下：vx=100*cos(1/4*pi);vy=100*sin(1/4*pi);t=0：0.01：14.428;x=vx*t;y=vy*t-9.8*t.^2/2;comet(x，y)%斜抛运动程序运行结果如图2所示：分析：斜抛运动沿水平方向和竖直方向的初速度与平抛不同，分别是vx=v0cosθ和vy=v0sinθ。在本例子中(忽略空气阻力)，v0=100m/s，抛出时速度方向与水平方向的夹角为θ=π/4，取g=9.8m/s2，由于竖直方向仅受重力作用，故由物体在竖直方向做加速度为g的匀变速直线运动vy1=vy-gt，当vy1=0时，说明物体到达最高点，此时得到所用时间为7.214秒，最高点为y=vyt-gt2/2=255米，接着在物体下落过程中，所用时间与上升时一样为7.214秒，所以在整个上抛运动过程中所用时间为14.428秒;而水平方向不受力，所以以vx=v0cosθ的速度匀速直线运动了14.428秒，水平方向位移就为x=vxt=1020米。相关参数可根据教学需要修改设置。

　　2MATLAB在布朗运动模拟演示中的应用

　　悬浮在液体或气体中的微粒所做的无规则运动的现象叫做布朗运动。在实际教学活动中，布朗运动不容易演示，也不容易观察，借助MAT-LAB的动态演示等功能来开发出模拟布朗运动的仿真程序，学生轻松观察了布朗运动。不仅让教学过程变得生动，也加深了对布朗运动的理解和认识。编写仿真程序如下：%Brownianmotionclf;n=8000;s=0.12;x=rand(n，1)-0.5;y=rand(n，1)-0.5;h=plot(x，y，'.'，'markersize'，12);axis([-11-11])axissquaregridoffset(h，'EraseMode'，'xor')gridon;title('PressCtl-Ctostop');while1drawnowx=x+s*randn(n，1);y=y+s*randn(n，1);set(h，'XData'，x，'YData'，y)endn=8000及n=800参数情况下程序运行结果如图3、4所示：分析：布朗运动的运动剧烈程度与微粒的大小和微粒所在的液、气体的温度有直接关系，微粒越小，液体或气体的温度越高，布朗运动表现越明显。相关参数可根据教学需要进行修改设置。

　　3MATLAB在“电荷在磁场中的运动中”的应用

　　洛伦兹力是运动电荷在磁场中受到的力。当电荷量为q的粒子以一定的速度v垂直射入匀强磁场时，粒子就会受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力可以用公式F=qvB计算。带电粒子真实存在但肉眼又无法观察到，在实际教学中，很难对粒子在磁场中的运动进行观察和探究，借助matlab模拟仿真出电荷在磁场中的运动过程，帮助学生观察到洛伦兹力和带电粒子在磁场中的运动情况，不仅让教学过程变得生动，还使学生的学习过程变得轻松。

　　4MATLAB在牛顿环干涉现象中的应用

　　将一块平板透明玻璃与一个曲率半径很大的凸面接触，这时就会形成以接触点为中心，周围厚度逐渐增加的空气薄膜。当用单色光照射时，空气薄膜上下表明反射的光波就会产生干涉，由于空气薄膜厚度的不同，这时形成的干涉条纹为以接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环，这就是光学中的牛顿环。在物理教学中，由于条件有限和实验过程比较复杂，仪器的精密调节困难，所以借助matlab模拟仿真出牛顿环干涉现象，不仅让教学过程变得生动，还使学生的学习过程变得轻松。编写仿真程序如下：clearall;rm=5;r=-rm：0.01：rm;%清除变量、最大化半径[X，Y]=meshgrid(r);R=sqrt(X.^2+Y.^2);I=cos(pi*(R.^2+1/2)).^2;I(R>rm)=0;c=linspace(0，1，64)';figure，h=image(I*64);title('牛顿环'，'FontSize'，16)pause，d=0;while1d=d+0.02%增加距离I=cos(pi*(R.^2+1/2+2*d)).^2;I(R>rm)=0;set(h，'CData'，64*I)drawnowifget(gcf，'CurrentCharacter')==char(27)break，endend运行结果如图6所示：分析：在本例子中，d为平板玻璃与凸面之间的距离，R为各个点距圆心的距离，I为反射光相对光强，开始时，平板玻璃和凸面之间的距离d为0，这时形成了一组静态的明暗相间的同心圆环，随后d以0.02的长度不断增加，对应的牛顿环也随之改变，d增大时，干涉条纹就逐渐向圆心移动。当d=λ/4时，牛顿环中心出现明亮的光斑，当d=λ/2时，牛顿环中心又变为暗斑，一直这样循环往复。在每个位置反射的两束光的光程差为δ=2D+λ/2，在这里D代表空气厚度，λ/2为光在玻璃板上反射时有半波损失而产生的附加光程差。随着半径r的增加，光程差增加的越来越快，所以同心圆环越往外环间距就越小[1]。相关参数可根据教学需要进行设置。

　　5结论

　　通过上述举例，可以看出matlab在辅助各类物理实验的演示教学中有很强的实用性。本文主要应用了matlab在动态绘图方面的优势，结合中学物理教学特点，开发了在教学中不容易演示或不容易观察的物理运动过程、物理实验过程模拟仿真的应用实例。其实Matlab软件在数据处理和静动态绘图等方面都有很大的优势，其他应用还有待在今后物理实验教学中进一步开发。

　　参考文献：

　　[1]刘伟波，贾天俊，李荣.基于MATLAB大学物理可视化教学模式的实践与思考——以“牛顿环干涉”教学为例[J].物理通报，2015，23(8)：18-20.LiuWB，JiaTJ，LiR.Practiceandreflectiononvisu-alizedinstructionmodelofuniversityphysicsbasedonMATLABsoftware[J].PhysicsBulletin，2015，23(8)：18-20.

　　[2]王殿武.初高中物理学习的台阶现象[D].吉林：东北师范大学，2009.WangDW.Middleandhighschoolleveltostudythephenomenonofphysical[D].Jilin：NortheastNormalUniversity，2009.

　　[3]于润伟.MATLAB基础及应用(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2012：15-73.YuRW.MatlabFoundationandApplication(3rdEdi-tion)[M].Beijing：ChinaMachinePress，2012：15-73.

　　[4]郭中华，郑隆举.变形牛顿环装置干涉结果的仿真模拟[J].大学物理实验，2013，26(2)：77-81.GuoZH，ZhengLJ.Interferencesimulationofvariantnewton'sringsstructures[J].PhysicalExperimentofCollege，2013，26(2)：77-81.

　　[5]陈林杰.MATLAB在中学物理教学中的应用[D].福州：福建师范大学，2015.叶青，刘艳红MATLAB在中学物理实验教学中的几个典型应用

　　作者：叶青 刘艳红 单位：楚雄师范学院 物理与电子科学学院 楚雄北浦中学

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