基于MATLAB的α粒子散射实验过程讨论

摘 要：针对物理学理论知识的抽象，文章通过理论推导和MATLAB软件呈现可视化电子束磁聚焦模型，科学清晰呈现磁聚焦分布特点。

关键词：MATLAB；磁聚焦；分析

一、 引言

随着以计算机为载体的信息技术及其在课程与教学中应用，深刻影响课程与教学手段的更新。近几年，尤其以MOOC课程以及翻转课堂引发的课程与教学改革如火如荼展开。而其中如何将复杂和抽象的物理过程以数学描述的形式直观展现显得十分重要。原因在于物理知识或规律本身就来源于生活或生产实践，而物理知识与规律的抽象性与之相冲突，导致对物理知识的掌握很浅层。解决这一矛盾最直接的办法是直观的呈现物理过程，将复杂的问题直观化。现有常见的方法为运用FLASH或3DMAX等软件的对物理现象进行直观的模拟，但是该方法不是基于物理理论或规律严格的数学描述的模拟，而只是对现象的简单直观呈现。虽然能得到动态的物理情景的呈现，但在科学意义上却是错误的。更可行的方案是运用MATLAB软件，利用其数值分析、科学数据计算以及面向可视化的交互设计的计算环境，呈现出可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多功能。本文运用物理理论先行理论推导出α粒子散射的各参量的数学描述形式，再运用Matlab构建α粒子散射可视化模型，最终实现物理模型的科学碎片化和可视化。

二、 物理模型构建

α粒子散射实验（a-particle scattering experiment）又称金箔实验，该实验是在欧内斯特·卢瑟福指导下，由汉斯·盖革和恩斯特·马斯登两位科学家共同所做的经典物理实验。它既是近代物理学经典性实验，更是近代原子核式模型建立的基础。

三、 可视化模型分析

运用MATLAB编程获取图1和图2。图1是动能与散射角之间的关系，图像表明，随着中子的散射角的增加，中子的散射速率逐渐减少；当中子反弹即碰撞反弹回来时，中子散射速率最小。此外，中子的质量与原子核的质量的比值也影响中子散射速度，当原子核的质量与中子的质量比值接近1时，同一个散射角對应的散射速率就越小。当中子多次和与之质量相近的原子核碰撞后，哪怕中子不反弹，速率也会迅速减小。图2反映的是中子损失的动能与散射角之间的关系，图像表明，中子散射后随着散射角的增加其损失的动能也越来越大；中子损失的动能最多场景为中子反弹时。中子的质量与原子核的质量比值也影响中子动能的损失，图像表明同一个散射角，中子的质量与原子核的质量的比值越大损失的动能就越多。

参考文献：

[1]梅山孩.MATLAB在大学物理MOOC课程可视化教学中的应用[J].考试周刊，2014（63）：124-125.

[2]彭芳麟，梁颖，刘振兴.在计算物理基础课中用MATLAB培养学生的编程能力[J].大学物理，2013（9）：9-14+17.

作者简介：

梅山孩，浙江省杭州市，浙江树人大学。