基于Matlab的動(dòng)態(tài)電磁波可視化教學(xué)研究

吳良美,倪梁方

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

?

基于Matlab的動(dòng)態(tài)電磁波可視化教學(xué)研究

吳良美,倪梁方

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

電磁場(chǎng)與電磁波是通信工程的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，概念抽象?？山柚鶰atlab語(yǔ)言編程，采用增加動(dòng)畫(huà)內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)抽象的內(nèi)容有具體生動(dòng)的認(rèn)識(shí)，加深對(duì)概念的理解和掌握。

電磁場(chǎng)與電磁波；Matlab；動(dòng)態(tài)化；可視化；教學(xué)

電磁場(chǎng)與電磁波課程是工科無(wú)線(xiàn)電、通信工程、電子信息等專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程。該課程對(duì)通信和電子類(lèi)的人才培養(yǎng)至關(guān)重要。[1]Matlab基于矩陣運(yùn)算，能根據(jù)計(jì)算結(jié)果提供相應(yīng)的圖形和動(dòng)畫(huà)，從而形成逼真的可視化仿真環(huán)境。[2]教學(xué)實(shí)踐表明,借助動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境能把電磁場(chǎng)與電磁波的抽象概念變得清晰、直觀(guān)。這不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更加深了他們對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的規(guī)律理解和掌握，從而使教學(xué)效果大為提高。

一、基于Matlab的三維動(dòng)態(tài)電磁波的可視化

for x=-3*pi:0.1:3*pi;y=sin(x);z=0*x;plot3(x,y,z,'*r') ;z=sin(x);y=0*x;plot3(x,y,z,'db'); pause(0.1);hold on; end;

其中利用Matlab的延遲等待pause函數(shù)，隔0.1秒繪制出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的矢量端點(diǎn)，利用hold on語(yǔ)句保持當(dāng)前所繪圖形，從而較好地實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)電磁波的傳播動(dòng)畫(huà)，如圖1所示。

圖1 均勻平面電磁波的傳播瞬間

二、基于Matlab的電磁波極化的動(dòng)態(tài)可視化

電磁波電場(chǎng)在空間的取向稱(chēng)為電磁波的極化，確切地說(shuō)，傳播方向上任意固定點(diǎn)處的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間變化所描繪的軌跡稱(chēng)為極化。[4]極化可分為線(xiàn)極化、圓極化和橢圓極化。線(xiàn)極化波的合成電場(chǎng)的大小雖隨時(shí)間變化，但方向保持在一直線(xiàn)上，其動(dòng)畫(huà)制作可在二維平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)。圓極化波合成電場(chǎng)的大小不隨時(shí)間改變，但方向卻隨時(shí)間以恒定角速度旋轉(zhuǎn)；當(dāng)面向電磁波傳播的方向，電場(chǎng)矢量是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，這種波的極化稱(chēng)為右旋圓極化波；反之，若電場(chǎng)矢量是反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，則稱(chēng)為左旋圓極化波。左旋與右旋極化波的判定是極化教學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)僅依據(jù)概念和靜態(tài)圖形較難想象不同旋向極化波的傳播，而借助Matlab進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示可以幫助學(xué)生輕松地學(xué)習(xí)理解。橢圓極化波左旋與右旋極化的判斷與圓極化波相同，其動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)可通過(guò)修改圓極化程序中三角函數(shù)前的系數(shù)得到。

右旋圓極化的程序中循環(huán)體的具體語(yǔ)句如下：

for x=-4*pi:0.1:4*pi; y=-sin(x); z=cos(x); plot3(x,y,z,′*r′); line([x,x],[0,y],[0,z]); pause(0.1); hold on; end;程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。圖中，電場(chǎng)矢量以細(xì)線(xiàn)表示，電場(chǎng)矢量端點(diǎn)以星點(diǎn)表示，兩者同時(shí)呈右螺旋狀環(huán)繞傳播方向前進(jìn)。

圖2 右旋圓極化波的傳播瞬間

通過(guò)修改右旋圓極化波的程序，可以很快得到左旋圓極化波的程序，只需將右旋圓極化波的y軸坐標(biāo)添加一個(gè)負(fù)號(hào)(這里負(fù)負(fù)得正)。程序運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 左旋圓極化波的傳播瞬間

此外，通過(guò)在循環(huán)體中加入Matlab的視頻操作函數(shù)getfram以獲取窗口內(nèi)圖像，在循環(huán)體外加入創(chuàng)建AVI影像函數(shù)movie2avi，可使動(dòng)畫(huà)程序封裝為可脫離Matlab環(huán)境的獨(dú)立運(yùn)行文件，使用ppt等媒體播放軟件可隨時(shí)播放，簡(jiǎn)單方便。具體語(yǔ)句為：循環(huán)體內(nèi)加入語(yǔ)句：mov(i)=getframe;循環(huán)體外加入語(yǔ)句：movie2avi(mov,'左旋.avi','compression','None','fps',30)。

三、結(jié)語(yǔ)

電磁波的傳播以及電磁波的極化是電磁場(chǎng)與電磁波教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，[5]它關(guān)系到是否能夠正確理解電磁波的發(fā)射和接收、是否能順利地進(jìn)入后面的微波與天線(xiàn)課程學(xué)習(xí)。采用Matlab語(yǔ)言制作動(dòng)畫(huà)程序，并實(shí)現(xiàn)與ppt的無(wú)縫連接，直觀(guān)形象地模擬和演示各種電磁現(xiàn)象，完成動(dòng)態(tài)可視化教學(xué)。這樣不僅使學(xué)生對(duì)電磁波問(wèn)題本身有一個(gè)科學(xué)而清晰的了解，對(duì)電磁波問(wèn)題產(chǎn)生濃厚的興趣，激發(fā)他們的積極性和創(chuàng)造性，而且可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究電磁場(chǎng)與電磁波仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手用Matlab解決電磁波問(wèn)題，鍛煉他們使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的能力，為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)，這也正符合以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目的的教改需要。將Matlab應(yīng)用到電磁場(chǎng)與電磁波課程中，要求任課教師能夠熟練掌握該軟件，從教學(xué)實(shí)際出發(fā)，制定完整的教學(xué)計(jì)劃，合理安排教學(xué)活動(dòng)的進(jìn)程。

[1]教育部高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì). 高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類(lèi)本科指導(dǎo)性專(zhuān)業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]張德豐. 詳解MATLAB圖形繪制技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]謝處方，饒克謹(jǐn). 電磁場(chǎng)與電磁波[M].第4版. 北京：高等教育出版社，2006.

[4]郭輝萍，等. 電磁場(chǎng)與電磁波[M].第3版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[5]孫賢明，等. 電磁波在媒質(zhì)中傳播的動(dòng)態(tài)模擬[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(1)：113-114.

(責(zé)任編輯 文雙全)

Research on the Visual Teaching of Dynamic Electromagnetic Wave Based on MATLAB

WU Liang-mei, Ni Liang-fang

(School of Electrical Engineering and Information, AHUT, Maanshan 243002, Anhui, China)

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave, abstract in concept, is considered as the core of the professional basic courses for the major Communication Engineering. The course can be taught in the way to add animation to it in the application of the program made by MATLAB language in order to make students have the visual and vivid understanding of those abstract contents and the detailed understanding and mastery of those concepts.

electromagnetic field and electromagnetic wave; MATLAB; dynamic; visual; teaching

2015-07-10

2013年安徽省教育科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：現(xiàn)代信息技術(shù)與信息類(lèi)課程整合的研究與實(shí)踐

吳良美 (1973- ) ，女，安徽馬鞍山人，安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院講師，碩士。 倪梁方(1965-)，男，江蘇無(wú)錫人，安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院教授，博士后。

G642.0

A

1671-9247(2015)06-0103-02