MATLAB在平面电磁波可视化课堂中的应用研究

王艳

摘要：把MATLAB軟件应用到电磁场与波课程平面电磁波章节中，可以方便地获得平面波的波形图，也可以吧抽象的电磁场与电磁波通过图形可视化，并动态模拟电磁波的传播和辐射特性，理论与实践有效结合，这有助于学生获得符号表达式中无法直接得到的讯息，加深对平面波特性的理解，取得了较好的效果。

关键词：平面电磁波；Matlab；可视化

中图分类号：TM15 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0116-02

MATLAB软件是美国MathWorks公司开发的数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。该软件可以实现高效的数值计算，符号计算功能和绘图功能，从而使人们摆脱繁杂的数学运算分析，并且可以方便绘出函数图形。使用者能够从直观的图形中获得符号表达式无法展现的信息，把握函数的基本特性。这也是MATLAB软件在高等院校的许多课程中得以广泛应用的原因。

平面电磁波是现实生活中电磁波最简单的理想的一种形式，也是我们理解电磁场与波课程中电磁波这部分内容的基础。我们发现，虽然平面电磁波看似很简单，但是学生有时理解不深刻，无法掌握和灵活运用该部分知识，以致明显影响后面的内容，如平面电磁波的反射折射、电磁波的辐射散射等内容。MATLAB软件应用我们可以很方便简洁的获得平面电磁波的二维或三维图，而且可以从多角度分析观察，使学生获得直观信息，并与符号表达式相关物理量相结合，加深对该部分内容的理解。下面以平面电磁波的相关知识为基础，简单介绍如何应用MATLAB软件，主要针对平面电磁波的传播特性这一部分内容。

1 利用MATLAB软件实现平面电磁波可视化

均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简单，但又表征了电磁波的重要特性。为了简单起见，选择坐标通常以电场沿x轴方向，即其对应的的瞬时值为。通过此表达式来介绍正向行波和反向行波及其传播参数。通过Matlab软件，我们可以给出时间相位分别为0和时的二维波形图和三维图。如图1、2所示。通过二维图和三维图我们可以看到，波沿z轴传播，z为某个值时，波面上各点的场强相等。当然我们利用MATLAB软件，可以获得为其它任意值（0到2）时，电场与空间位置z的关系。

电场和磁场之间满足麦克斯韦方程组，均匀平面波在传递过程中同样适用。为了直观的了解电场和磁场在空间中的分布。通过Matlab软件，可以绘制出均匀平面波在空间传播的动态图。本文以为例，绘制了均匀平面波的三维动态图。现给出了t=0s和t=36s的波形图，可以看出电场和磁场是相互垂直的，随着时间的流逝，电场和磁场也是变化的。演示均匀平面波的三维动态图，有助于学生理解波的传播方向与电场和磁场的关系，加深其感性认识。如图3所示。

2 结语

本文通过均匀平面波的具体事例，讨论了Matlab软件在电磁场与波可视化应用。由此可以说明，利用Matlab软件能够获得电磁场与波中相关知识点的直观图。这有助于同学们的理解和学习，为电磁场与波这门课程的可视化提供了有效工具。

参考文献

[1]宗卫华，曲晓云，王英，于海生.Matlab在电磁场与电磁波实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2010，29（1）：53-55.

[2]包宋建，许艳英，陈帅华，汤勇. MATLAB语言在数字图像处理中的应用[J].工业控制计算机，2011，24（6）：38-39.