摘要：本文利用Matlab在動態繪圖方面的優勢，通過建模、編寫程序并模擬仿真，讓幾個中學物理中不易觀察的實驗：平拋運動、斜拋運動、布朗運動、洛倫茲力和牛頓環形象直觀演示，便于教師教學，增強學生的學習興趣。

關鍵詞：平拋運動；斜拋運動；布朗運動；洛倫茲力；牛頓環；中學物理實驗；Matlab

物理學是一門實驗科學，在學習物理知識時，我們必須依賴物理實驗才能更深的去探究自然科學規律。但是在實際教學活動中，由于各種條件限制，有些實驗并不方便演示或比較難以觀察。本文利用Matlab軟件仿真平臺，將中學物理教學中的平拋、斜拋運動過程，布朗運動過程，帶電粒子磁場中的運動，牛頓環干涉現象四個比較典型的物理實驗進行編程仿真，利用多媒體進行實時演示，形象直觀的展示這些物理現象及運動過程，不僅讓教學過程變得生動，加深了學生對相關物理現象理解和認識，便于教學中引導同學們觀察和分析。

1MATLAB在力學實驗演示中的應用

在進行斜拋和平拋運動實驗演示中，由于物體下落速度比較快，比較難觀察，所以借助MAT-LAB高級繪圖功能和動態演示功能，通過程序編寫模擬出其運動過程，不僅讓教學過程變得生動，使學生真正了解斜拋和平拋的物理運動過程。加深了對布朗運動的理解和認識。

1.1MATLAB在平拋物理實驗演示中的應用

平拋運動是物體初速度水平且只受重力作用時的運動(忽略空氣阻力時)，平拋運動的運動過程發生比較迅速，上課時學生不容易觀察，所以借助matlab編寫程序模擬仿真出平拋運動的運動過程，在實際教學中，通過多媒體進行展示，會得到很好的教學效果。編寫仿真程序如下：vx=40；t=0：0.01：10；x=vx*t；y=-9.8*t.^2/2；comet(x，y)%演示平拋運動程序運行結果如圖1所示。分析：在本例子中，物體水平拋出后，物體僅受豎直向下的重力作用，在這里，我們取重力加速度為g=9.8m/s2。物體在水平方向不受力，所以水平方向分速度vx也將保持不變，在運動開始的時候水平初速度是v0，即在整個運動過程中始終有vx=v0；在豎直方向，物體開始水平拋出時豎直方向分速度為0，物體在豎直方向的分速度vy與時間t的關系是vy=gt；物體拋出后在豎直方向做初速度為0點的勻加速直線運動，這里我們設高度為500米，由y=gt2/2得出所需時間為10秒，物體水平拋出時的初速度為v0=40m/s，在水平方向的位移就為x=vxt=400米。在教學中，教師可根據教學需要，可以設置需要的參數。

1.2MATLAB在斜拋物理實驗演示中的應用

斜拋運動是物體被斜向上方或斜向下方拋出后，在僅受重力作用下所做的運動，它的受力情況與平拋運動完全相同：在水平方向不受力(忽略空氣阻力時)，加速度為0，做勻速直線運動；在豎直方向只受重力，做加速度大小為g的勻變速直線運動。編寫仿真程序如下：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)%斜拋運動程序運行結果如圖2所示：分析：斜拋運動沿水平方向和豎直方向的初速度與平拋不同，分別是vx=v0cosθ和vy=v0sinθ。在本例子中(忽略空氣阻力)，v0=100m/s，拋出時速度方向與水平方向的夾角為θ=π/4，取g=9.8m/s2，由于豎直方向僅受重力作用，故由物體在豎直方向做加速度為g的勻變速直線運動vy1=vy-gt，當vy1=0時，說明物體到達最高點，此時得到所用時間為7.214秒，最高點為y=vyt-gt2/2=255米，接著在物體下落過程中，所用時間與上升時一樣為7.214秒，所以在整個上拋運動過程中所用時間為14.428秒；而水平方向不受力，所以以vx=v0cosθ的速度勻速直線運動了14.428秒，水平方向位移就為x=vxt=1020米。相關參數可根據教學需要修改設置。

2MATLAB在布朗運動模擬演示中的應用

懸浮在液體或氣體中的微粒所做的無規則運動的現象叫做布朗運動。在實際教學活動中，布朗運動不容易演示，也不容易觀察，借助MAT-LAB的動態演示等功能來開發出模擬布朗運動的仿真程序，學生輕松觀察了布朗運動。不僅讓教學過程變得生動，也加深了對布朗運動的理解和認識。編寫仿真程序如下：%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=800參數情況下程序運行結果如圖3、4所示：分析：布朗運動的運動劇烈程度與微粒的大小和微粒所在的液、氣體的溫度有直接關系，微粒越小，液體或氣體的溫度越高，布朗運動表現越明顯。相關參數可根據教學需要進行修改設置。

3MATLAB在“電荷在磁場中的運動中”的應用

洛倫茲力是運動電荷在磁場中受到的力。當電荷量為q的粒子以一定的速度v垂直射入勻強磁場時，粒子就會受到洛倫茲力的作用，洛倫茲力可以用公式F=qvB計算。帶電粒子真實存在但肉眼又無法觀察到，在實際教學中，很難對粒子在磁場中的運動進行觀察和探究，借助matlab模擬仿真出電荷在磁場中的運動過程，幫助學生觀察到洛倫茲力和帶電粒子在磁場中的運動情況，不僅讓教學過程變得生動，還使學生的學習過程變得輕松。

4MATLAB在牛頓環干涉現象中的應用

將一塊平板透明玻璃與一個曲率半徑很大的凸面接觸，這時就會形成以接觸點為中心，周圍厚度逐漸增加的空氣薄膜。當用單色光照射時，空氣薄膜上下表明反射的光波就會產生干涉，由于空氣薄膜厚度的不同，這時形成的干涉條紋為以接觸點為中心的一系列明暗相間的同心圓環，這就是光學中的牛頓環。在物理教學中，由于條件有限和實驗過程比較復雜，儀器的精密調節困難，所以借助matlab模擬仿真出牛頓環干涉現象，不僅讓教學過程變得生動，還使學生的學習過程變得輕松。編寫仿真程序如下：clearall；rm=5；r=-rm：0.01：rm；%清除變量、最大化半徑[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('牛頓環'，'FontSize'，16)pause，d=0；while1d=d+0.02%增加距離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運行結果如圖6所示：分析：在本例子中，d為平板玻璃與凸面之間的距離，R為各個點距圓心的距離，I為反射光相對光強，開始時，平板玻璃和凸面之間的距離d為0，這時形成了一組靜態的明暗相間的同心圓環，隨后d以0.02的長度不斷增加，對應的牛頓環也隨之改變，d增大時，干涉條紋就逐漸向圓心移動。當d=λ/4時，牛頓環中心出現明亮的光斑，當d=λ/2時，牛頓環中心又變為暗斑，一直這樣循環往復。在每個位置反射的兩束光的光程差為δ=2D+λ/2，在這里D代表空氣厚度，λ/2為光在玻璃板上反射時有半波損失而產生的附加光程差。隨著半徑r的增加，光程差增加的越來越快，所以同心圓環越往外環間距就越小[1]。相關參數可根據教學需要進行設置。

5結論

通過上述舉例，可以看出matlab在輔助各類物理實驗的演示教學中有很強的實用性。本文主要應用了matlab在動態繪圖方面的優勢，結合中學物理教學特點，開發了在教學中不容易演示或不容易觀察的物理運動過程、物理實驗過程模擬仿真的應用實例。其實Matlab軟件在數據處理和靜動態繪圖等方面都有很大的優勢，其他應用還有待在今后物理實驗教學中進一步開發。

參考文獻：

[1]劉偉波，賈天俊，李榮.基于MATLAB大學物理可視化教學模式的實踐與思考——以“牛頓環干涉”教學為例[J].物理通報，2015，23(8)：18－20.LiuWB，JiaTJ，LiR.Practiceandreflectiononvisu-alizedinstructionmodelofuniversityphysicsbasedonMATLABsoftware[J].PhysicsBulletin，2015，23(8)：18－20.

[2]王殿武.初高中物理學習的臺階現象[D].吉林：東北師范大學，2009.WangDW.Middleandhighschoolleveltostudythephenomenonofphysical[D].Jilin：NortheastNormalUniversity，2009.

[3]于潤偉.MATLAB基礎及應用(第3版)[M].北京：機械工業出版社，2012：15－73.YuRW.MatlabFoundationandApplication(3rdEdi-tion)[M].Beijing：ChinaMachinePress，2012：15－73.

[4]郭中華，鄭隆舉.變形牛頓環裝置干涉結果的仿真模擬[J].大學物理實驗，2013，26(2)：77－81.GuoZH，ZhengLJ.Interferencesimulationofvariantnewton＇sringsstructures[J].PhysicalExperimentofCollege，2013，26(2)：77－81.

[5]陳林杰.MATLAB在中學物理教學中的應用[D].福州：福建師范大學，2015.葉青，劉艷紅MATLAB在中學物理實驗教學中的幾個典型應用

作者：葉青 劉艷紅 單位：楚雄師范學院 物理與電子科學學院 楚雄北浦中學

總結

以上是生活随笔為你收集整理的matlab力学实验,MATLAB在中学物理实验教学的应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。