MATLAB軟件在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用*①

段秀芝 楊萍萍 趙 炯

(河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 河北 唐山 063000)

1 引言

近年來，由美國 Mathworks 公司于 1984 年正式推出的 MATLAB語言已成為科學(xué)研究領(lǐng)域最為流行的一種科學(xué)計(jì)算軟件.它以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)，把符號(hào)計(jì)算、繪圖及動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等功能有機(jī)地融合在一起[1].MATLAB 在科技領(lǐng)域的優(yōu)秀表現(xiàn)使它廣泛地應(yīng)用于幾乎所有的科學(xué)研究領(lǐng)域.應(yīng)用 MATLAB 可以讓學(xué)生體會(huì)到用計(jì)算機(jī)解決物理問題所帶來的方便和樂趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2].

大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理工類專業(yè)學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課，該課程學(xué)習(xí)質(zhì)量的高低直接影響專業(yè)課程的學(xué)習(xí).為了提高高等學(xué)校理工類專業(yè)大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量，大學(xué)物理教學(xué)改革刻不容緩.為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本物理概念、方法及物理知識(shí)應(yīng)用方面的理解，把學(xué)生從繁重的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來，將MATLAB引入大學(xué)物理教學(xué)是一個(gè)很好的解決方法.此語言能準(zhǔn)確和科學(xué)地反映物理學(xué)中的問題，文章通過物理學(xué)中兩個(gè)典型實(shí)例介紹MATLAB的具體應(yīng)用.

2 MATLAB軟件在大學(xué)物理問題中的應(yīng)用

2.1 單縫衍射的光強(qiáng)分布

在單縫衍射中，縫寬為a，入射光的波長為λ，衍射角為θ的衍射光光強(qiáng)為

(1)

程序如下：

x=-1∶1/100∶1;

y=sin(10*x).*sin(10*x)./(10*x)./

(10*x);

plot(x,y)

獲得的圖像如圖1所示.由圖1可知，中間的峰值對(duì)應(yīng)的是中央明紋，兩側(cè)的峰值分別為±1級(jí)、±2級(jí)明紋.

圖1 用MATLAB獲得的單縫衍射光強(qiáng)圖像

2.2 用Simulink動(dòng)態(tài)仿真模擬簡(jiǎn)諧振動(dòng)

如果一個(gè)質(zhì)元做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，受到的合外力

f=-kx=ma

(2)

加速度

(3)

(1)運(yùn)用Gain1將x和0.3相乘.

(2)運(yùn)用Subtract使x前面的符號(hào)為負(fù).

Scope為示波器輸出模塊.最后，將各個(gè)模塊按照方程的需要逐一連接，如圖2所示.

圖2 各模塊運(yùn)行流程

單擊右鍵，選擇Configuration Parameters設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，初始運(yùn)行時(shí)間設(shè)為“0”，停止時(shí)間取為“50 s”，最大的步長設(shè)為“0.1”，初始的步長設(shè)為“0.01”，設(shè)好后，點(diǎn)擊OK，再點(diǎn)擊Simulation中的start按鈕，最后，雙擊圖2中的“Scope”輸出模塊

得到振子位移仿真曲線，如圖3所示.

圖3 振子位移仿真曲線

3 結(jié)論

將MATLAB軟件的plot命令應(yīng)用在單縫衍射光強(qiáng)分布中，得出了光強(qiáng)的分布圖像，可以使學(xué)生形象地感受到光強(qiáng)的分布.在已知簡(jiǎn)諧振動(dòng)初始條件的情況下，利用MATLAB軟件中的Simulink動(dòng)態(tài)仿真模擬功能可便捷地獲得簡(jiǎn)諧振子的位移圖形.MATLAB軟件還可以解決大學(xué)物理中的其他問題.

總之，將MATLAB軟件運(yùn)用在大學(xué)物理教學(xué)中，可使抽象問題形象化，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化.從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高大學(xué)物理課程的教學(xué)效果.將MATLAB軟件運(yùn)用在大學(xué)物理教學(xué)中是可行的.

參考文獻(xiàn)

1 蔡旭暉，劉衛(wèi)國，蔡立燕.MATLAB 基礎(chǔ)與應(yīng)用教程.北京：人民郵電出版社，2009.1～180

2 田濤，侯素霞，張清華.MATLAB的數(shù)值計(jì)算在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.考試周刊，2010(33):190～191