Matlab可视化在物理教学中的应用

■ 哈尔滨师范大学 任 梦

1 Matlab的介绍及教学的引入

Matlab是一个专业的计算机程序软件,主要应用在工程科学的矩阵数学运算,是目前在国际上被普遍认可并采用的自然科学与工程计算应用软件,经过现在的发展已经将其变成一种集数值运算、符号运算、数值可视化、图形界面设计、编写程序、仿真模拟等多种功能于一体的综合应用软件。

因为Matlab有着强大的功能,所以一直以来被广泛地运用在国内外辅助教育教学,它是一个很经典而且必不可少的工具。所以,把Matlab引入到物理课程教学中,可以说是在科学计算方法上与国外接轨,在使用Matlab过程中,对完善课堂教学手段,提高课堂教学质量,给学生提供可视化,形象的图像,调动学生对学习物理的兴趣,培养学生的独立学习能力等方面均有重要的帮助。

随着信息技术的发展,教育理念、教学手段和教学素材也开始向信息化的方向发展。教师在备课上课的过程中也应会合理的借助现代化的技术手段,对传统的教学方法进行改进,以适应教学手段的发展。教师在教学中可为学生演示一些利用编程软件生成的动图,不但使学生注意力集中,还有一部分学生对如何才能制作生动的动图感兴趣,利用课余时间用电脑自己尝试编写简单程序,模拟物理模型,并与其他学生交流分享,享受学习的过程,进而提高了思维能力和创新能力。

2 应用实例

2.1 点电荷的电场和电势

结合上述方程,用Matlab编写程序在利用其可视化功能绘制出等势面和电场线,还可以清楚看出电场强度的大小,用Matlab的可视化绘图功能描绘出相应电荷的电场分布情况,如图1、图2所示。

图1 单个点电荷的平面电场线与等势线

图2 单个电荷的立体电场分布

由图2可以看出点电荷的电场是具有球对称性的,在离点电荷愈近的地方,电场线会更密集,由此即可知道其电场强度在该位置也越大;同理离点电荷愈远的位置,电场线是稀疏的,电场强度在该位置处也越小。以场源电荷为中心,与场源电荷距离相等的点电场强度相同,但它们方向不同。由图1可知,离开场源电荷越远的地方,在该处电势值也就越低,与场源电荷距离相等的各点组成的球面是个等势面,并且每个点电荷的电势为正,以场源电荷为球心的一簇不等间距的球面,离场源电荷越近,等势线越密集。

2.2 等量异号点电荷的电场电势

由两个相距一定距离的等量异种电荷,而实际两个点电荷的距离比其所讨论的距离小得多并且点电荷中心不重合,这样的两个电荷量相等且异号的电荷组成的系统也称为电偶极子,具体模型如图3所示。

图3 等量异种电荷示意图

假设两个点电荷的电荷分别为+q和-q,并且其距离为d,且r远大于d。

由图4可知,电场强度大小,由下到上,电场强度先变小后变大,中心处电场强度最小,电场强度的方向为由正电荷指向负电荷。在正电荷和负电荷连线的中垂线上,在中心向上和向下的方向上,电场强度一直在减小,场强方向指向负电荷的一端。电势大小由下到上一直在减小,并且中心处电势为零,其正电荷一侧为正电势,同理负电荷一侧为负电势。

图4 等量异种电荷的电势分布图和电场分布图

助Matlab技术对其进行了仿真模拟,得到了点电荷在空间上的电场和电势。进一步由单个点电荷推广通过叠加原理得到了等量异种电荷分别在x、y分量的表达式,在通过Matlab可视化模拟分别得到了等量异种电荷的电场和电势分布图。

3 结论

老师在物理教学中恰当而灵活的运用Matlab可视化软件绘制图形和动图演示,比老师在黑板上用粉笔绘制的效果更佳,会使抽象的物理学概念变得通俗易懂,也更直观,从而提高了学生对物理的学习兴趣,训练并加强了学生对知识点的掌握,进而增强了学生在课堂上的参与、主动探究与创新意识。符合党的十八大工作报告中提出的,加快制定国家人才优先发展战略布局,强化科技创业人才保障力量,全面开发利用国内及海外人才资源,深入推进教育改革,实施创新教育要求。