MATLAB 在高校物理实验教学中的应用

黎 琪

(贵州工程应用技术学院，贵阳 毕节 551700)

一、引言

只有通过实验进行的物理教学才能够有效培养学生的创新能力和科学素养。物理实验课体系落后繁琐的实验数据处理方法、缺乏的设计性和综合性实验设置以及较少的现代技术手段应用等问题导致在进行适应高素质人才的高校物理实验课方面出现诸多困难。要解决这个问题，教育工作者们需要积极应用现代技术手段来改善物理实验教学。在高校物理教学中使用当前应用广泛的数据分析和工程计算软件MATLAB 作为实验的辅助，有利于使教学内容更加直观形象而提高学生的学习效率。MATLAB 直观、简捷、易用和易学的特点可以激发学生的学习兴趣并提高学生的创新能力，使大学中物理实验的教学事半功倍。

二、MATLAB 在高校物理实验教学中的应用

1、MATLAB 制作实验教学课件

教师在讲授基础物理学时在黑板上解析作图既不准确又费时，并且不能改变参数。应用MATLAB 制作的实验教学课件能够利用改变参数和建立数学模型来观测图形的变化，促进学生对知识的理解。例如在光学实验教学中，实验的关键是正确调整实验仪器、捕捉光学现象和准确观察测量。但在调整实验仪器时很多光学现象难以控制且出现短暂，同时还有“假象”和“虚像”的干扰，导致实验效果不理想。利用MATLAB 作为演示平台来模拟光学现象可以有效的解决上述问题。以单缝衍射实验为例，用MATLAB 编程演示衍射现象，通过给模型赋予不同的数据就能够得出不同缝宽下的不同衍射结果，进而得到衍射条纹的变化规律，这样学生会清晰地认识并了解该实验应有的效果。有机结合实验物理教学和MATLAB 软件能够通过直观地演示物理现象使学生充分了解物理现象和规律，同时还使学生学习的主动性提高并激发了他们的思维。

2、MATLAB 用于实验仿真

MATLAB 软件能够建立数学模型并改变参数，使学生能够通过直接观测图形的变化而加深对知识的理解。以单自由度阻尼系统的阻尼系数对其固有振动模式的影响为例分析。用MATLAB 编程可以求解并画出波形。改变初始条件，使x0=0，v0=1，得到新的波形。

系统的脉冲过渡函数为后一组曲线。一个单位的初速度v0 由脉冲激励的最终效果形成，产生的波形即脉冲过渡函数。学生通过结合物理实验和计算机能够使物理现象和理论知识相连，利用仿真形象的描绘出之前很难描绘的曲线。加深学生对物理概念和MATLAB 的了解以及熟悉计算机的使用有利于调动他们学习的主观能动性。MATLAB 通过指令就能在物理实验教学中引入信息技术而整合传统物理实验课程，方便而直观地辅助大学物理实验。学生在接受基本技能训练和基本实验操作的同时，很好地在物理实验中应用现代信息技术进而达到高效物理实验教学的目的。

3、MATLAB 用于实验数据处理

由数据处理手段制约的数据处理方法在物理试验中起着至关重要的作用。在手工处理数据的条件下一般只能用到只对线性关系有效、效率低且易出现人为误差的逐差法、作图法和列表法等;可以分析非线性问题的Excel 或计算机高级语言编程等工具又会因为操作不便或编程复杂等问题而难以推广在教学中;某些学生随意改变数据以求实验报告正确的行为会使数据无法得到客观的处理和分析而失去实验的真正意义;提供了大量科学计算函数的MATLAB 能够非常快速便捷的处理傅里叶变换、数据插值和曲线拟合等问题。以下是电子荷质比测量的例子。

假设拟合函数是:U=aI2，代入实验数据组U 和I。通过在MATLAB 中输入相应的语句和数据会呈现出上图以及电子的荷质比:1.7608 ×1011C/kg，实验的相对误差为0.11%。由图可得部分原始数据点与拟合曲线有偏差，即实验存在误差。

三、结束语

通过论述MATLAB 在实验的演示、仿真和处理数据方面具有安全、高校、直观和便捷的特点体现出它在演示观察困难的实验现象上独特的优越性。但在真实地环境中进行实际操作，学生的动手能力才得到有效提高。教师应该把物理实验教学与更多的现代科学技术相结合、采取积极有效的改革并充分利用已有的教学资源，使物理实验教学更加高效而丰富。

［1］李凌云，张敏锐，王海军，胡孔赞.MATLAB 在高校物理实验教学中的应用［J］.南京晓庄学院学报，2006，04:122－124.

［2］王安玲.Matlab 在大学物理实验教学中的应用［J］.北京印刷学院学报，2012，06:64－66.

［3］陈顺芳，徐四六.MATLAB 在大学物理实验教学中的应用［J］.湖北科技学院学报，2012，12:9－11.