MATLAB 在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

黎 琪

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，貴陽 畢節(jié) 551700)

一、引言

只有通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的物理教學(xué)才能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)課體系落后繁瑣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法、缺乏的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及較少的現(xiàn)代技術(shù)手段應(yīng)用等問題導(dǎo)致在進(jìn)行適應(yīng)高素質(zhì)人才的高校物理實(shí)驗(yàn)課方面出現(xiàn)諸多困難。要解決這個(gè)問題，教育工作者們需要積極應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段來改善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在高校物理教學(xué)中使用當(dāng)前應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)分析和工程計(jì)算軟件MATLAB 作為實(shí)驗(yàn)的輔助，有利于使教學(xué)內(nèi)容更加直觀形象而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。MATLAB 直觀、簡捷、易用和易學(xué)的特點(diǎn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，使大學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)事半功倍。

二、MATLAB 在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1、MATLAB 制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件

教師在講授基礎(chǔ)物理學(xué)時(shí)在黑板上解析作圖既不準(zhǔn)確又費(fèi)時(shí)，并且不能改變參數(shù)。應(yīng)用MATLAB 制作的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件能夠利用改變參數(shù)和建立數(shù)學(xué)模型來觀測圖形的變化，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。例如在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是正確調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器、捕捉光學(xué)現(xiàn)象和準(zhǔn)確觀察測量。但在調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)很多光學(xué)現(xiàn)象難以控制且出現(xiàn)短暫，同時(shí)還有“假象”和“虛像”的干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。利用MATLAB 作為演示平臺(tái)來模擬光學(xué)現(xiàn)象可以有效的解決上述問題。以單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例，用MATLAB 編程演示衍射現(xiàn)象，通過給模型賦予不同的數(shù)據(jù)就能夠得出不同縫寬下的不同衍射結(jié)果，進(jìn)而得到衍射條紋的變化規(guī)律，這樣學(xué)生會(huì)清晰地認(rèn)識(shí)并了解該實(shí)驗(yàn)應(yīng)有的效果。有機(jī)結(jié)合實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)和MATLAB 軟件能夠通過直觀地演示物理現(xiàn)象使學(xué)生充分了解物理現(xiàn)象和規(guī)律，同時(shí)還使學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性提高并激發(fā)了他們的思維。

2、MATLAB 用于實(shí)驗(yàn)仿真

MATLAB 軟件能夠建立數(shù)學(xué)模型并改變參數(shù)，使學(xué)生能夠通過直接觀測圖形的變化而加深對(duì)知識(shí)的理解。以單自由度阻尼系統(tǒng)的阻尼系數(shù)對(duì)其固有振動(dòng)模式的影響為例分析。用MATLAB 編程可以求解并畫出波形。改變初始條件，使x0=0，v0=1，得到新的波形。

系統(tǒng)的脈沖過渡函數(shù)為后一組曲線。一個(gè)單位的初速度v0 由脈沖激勵(lì)的最終效果形成，產(chǎn)生的波形即脈沖過渡函數(shù)。學(xué)生通過結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)能夠使物理現(xiàn)象和理論知識(shí)相連，利用仿真形象的描繪出之前很難描繪的曲線。加深學(xué)生對(duì)物理概念和MATLAB 的了解以及熟悉計(jì)算機(jī)的使用有利于調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。MATLAB 通過指令就能在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入信息技術(shù)而整合傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課程，方便而直觀地輔助大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在接受基本技能訓(xùn)練和基本實(shí)驗(yàn)操作的同時(shí)，很好地在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)而達(dá)到高效物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

3、MATLAB 用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由數(shù)據(jù)處理手段制約的數(shù)據(jù)處理方法在物理試驗(yàn)中起著至關(guān)重要的作用。在手工處理數(shù)據(jù)的條件下一般只能用到只對(duì)線性關(guān)系有效、效率低且易出現(xiàn)人為誤差的逐差法、作圖法和列表法等;可以分析非線性問題的Excel 或計(jì)算機(jī)高級(jí)語言編程等工具又會(huì)因?yàn)椴僮鞑槐慊蚓幊虖?fù)雜等問題而難以推廣在教學(xué)中;某些學(xué)生隨意改變數(shù)據(jù)以求實(shí)驗(yàn)報(bào)告正確的行為會(huì)使數(shù)據(jù)無法得到客觀的處理和分析而失去實(shí)驗(yàn)的真正意義;提供了大量科學(xué)計(jì)算函數(shù)的MATLAB 能夠非?？焖俦憬莸奶幚砀道锶~變換、數(shù)據(jù)插值和曲線擬合等問題。以下是電子荷質(zhì)比測量的例子。

假設(shè)擬合函數(shù)是:U=aI2，代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組U 和I。通過在MATLAB 中輸入相應(yīng)的語句和數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出上圖以及電子的荷質(zhì)比:1.7608 ×1011C/kg，實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差為0.11%。由圖可得部分原始數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線有偏差，即實(shí)驗(yàn)存在誤差。

三、結(jié)束語

通過論述MATLAB 在實(shí)驗(yàn)的演示、仿真和處理數(shù)據(jù)方面具有安全、高校、直觀和便捷的特點(diǎn)體現(xiàn)出它在演示觀察困難的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上獨(dú)特的優(yōu)越性。但在真實(shí)地環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作，學(xué)生的動(dòng)手能力才得到有效提高。教師應(yīng)該把物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與更多的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合、采取積極有效的改革并充分利用已有的教學(xué)資源，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加高效而豐富。

［1］李凌云，張敏銳，王海軍，胡孔贊.MATLAB 在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京曉莊學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，04:122－124.

［2］王安玲.Matlab 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，06:64－66.

［3］陳順芳，徐四六.MATLAB 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.湖北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，12:9－11.