Matlab在中学物理教学和实验中的应用，本文主要内容关键词为：中学物理教学论文,Matlab论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
受教学条件的影响，每个物理规律能都用实物实验演示是不可能的，且实验数据处理复杂。利用现代技术手段，可以让比较复杂的物理规律完美再现。常见的软件有通用软件和虚拟仪器软件，通用软件可以用flash、Mathematica、UltraKey（数字虚拟演播室）、几何画板、Sketch Up等，虚拟仪器软件典型的是labview，Matlab（矩阵实验室软件）在图形虚拟和数据处理方面有着独特的优势，能有效帮助学生理解和学习物理规律。
一、Matlab软件简介
Matlab为矩阵实验室(matrix laboratory)之意，是美国Mathworks公司于20世纪80年代推出的一种简便的工程计算语言。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，具备卓越的数值计算能力。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。仿真实验反馈信息的实时性及实验参数设置的灵活性，不仅能增强学生对实验的探索兴趣，而且能培养学生的自主学习能力和创新能力。
二、应用实例1——电偶极子电场和等势线的分布仿真
在中学物理的电磁学中，电偶极子电场问题是一个典型的问题，其等势线和电场线的绘制就是课程中较难把握的内容，借助Matlab这将不再是一个难点。电偶极子是指由间距很小的两个等量异号电荷组成的系统。其模型是指电量为q、相距为z的一对正负点电荷所组成的系统，O是两个点电荷距离的中点，电偶极子的方向是从负电荷Q指向正电荷Q，如图1所示。
图1
在直角坐标系中，将原点放在偶极子中心。z轴与相重合，远处一点P的电位等于两点电荷电位的叠加。在二维直角坐标系中，设在(a,b)处有电荷+q，在(-a,-b)处有电荷-q，那么在电荷所在平面上任何一点的电势为：
在Matlab编程中，执行等势线绘图指令contourf可获得电势函数在空间的分布，计算场强则需对电势求负梯度即用gradiant(-ψ)，再用quiver函数就可绘制出空间电场的分布。黑实线即为计算机绘制的等位线图，在X，Y平面上绘制带箭头的线条电场线、分布，电偶极子的等位线及电场线在二维平面上的分布如（图2）所示。通过将抽象的场函数仿真后，对场的分布就有了一个直观的概念，对场的性质理解起来也就更加容易。电场线的疏密表示电场的弱强。某点处切线方向表示电场的方向。从而建立起电场线与电场强度之间的有效联系。而且等势线与电场线正交，顺着电场线方向电势降低，电场强度是电势的负梯度等，这些从图象中都可以得到直接验证。
图2
三、应用实例2——利用Matlab的计算功能处理实验数据
在中学物理实验教学过程中发现，学生实验报告数据的误差普遍较大，原因主要有两方面：一是对物理实验数据采用列表法、作图法、逐差法等手工处理的方法，容易造成人为误差；二是有些学生的测量误差大，为了使实验报告“正确”而随意改动数据，这样就无法对数据进行客观的分析和处理，也失去了实验的意义。如果在实验数据处理中使用Matlab，不但可以减少计算工作量，得到准确的拟合曲线，而且根据图形显示结果可以直接判断实验结论，简洁准确。以测量二极管伏安特性实验的数据处理为例。学生通过测量获得的二极管伏安特特性的实验数据，用Matlab中的plot函数可以绘制的二极管伏安特性曲线如图3。
图3
四、应用实例3——振动的合成及拍频现象
简谐振动是一种典型的、基本的机械振动，是学习复杂振动的基础。在中学物理理论课程的教学中占有重要的地位，简谐振动的合成问题是其中一个重点内容。由于该内容比较抽象，学生很难理解和掌握。并且，书中对于拍频现象的演示实验，也就是取两只频率相同的音叉，在一个音叉上套上一个小铁圈等实验装置来验证这种拍频现象。而且实验现象往往并不直观清晰。如果我们用Matlab编制程序来实现振动的合成及拍频现象的计算机模拟，学生就容易消化理解有关的理论。
设简谐振动的方程为：
当
近似相等时，便会发生拍频现象。
通过数学建模，利用Matlab的图形绘图函数plot和图形窗口分割，可以清楚地观察到拍频现象，同时可以用sound函数听拍频的声音，仿真图形如图4所示。
图4
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