MATLAB 在高校物理實驗教學中的應用

黎 琪

(貴州工程應用技術學院，貴陽 畢節 551700)

一、引言

只有通過實驗進行的物理教學才能夠有效培養學生的創新能力和科學素養。物理實驗課體系落后繁瑣的實驗數據處理方法、缺乏的設計性和綜合性實驗設置以及較少的現代技術手段應用等問題導致在進行適應高素質人才的高校物理實驗課方面出現諸多困難。要解決這個問題，教育工作者們需要積極應用現代技術手段來改善物理實驗教學。在高校物理教學中使用當前應用廣泛的數據分析和工程計算軟件MATLAB 作為實驗的輔助，有利于使教學內容更加直觀形象而提高學生的學習效率。MATLAB 直觀、簡捷、易用和易學的特點可以激發學生的學習興趣并提高學生的創新能力，使大學中物理實驗的教學事半功倍。

二、MATLAB 在高校物理實驗教學中的應用

1、MATLAB 制作實驗教學課件

教師在講授基礎物理學時在黑板上解析作圖既不準確又費時，并且不能改變參數。應用MATLAB 制作的實驗教學課件能夠利用改變參數和建立數學模型來觀測圖形的變化，促進學生對知識的理解。例如在光學實驗教學中，實驗的關鍵是正確調整實驗儀器、捕捉光學現象和準確觀察測量。但在調整實驗儀器時很多光學現象難以控制且出現短暫，同時還有“假象”和“虛像”的干擾，導致實驗效果不理想。利用MATLAB 作為演示平臺來模擬光學現象可以有效的解決上述問題。以單縫衍射實驗為例，用MATLAB 編程演示衍射現象，通過給模型賦予不同的數據就能夠得出不同縫寬下的不同衍射結果，進而得到衍射條紋的變化規律，這樣學生會清晰地認識并了解該實驗應有的效果。有機結合實驗物理教學和MATLAB 軟件能夠通過直觀地演示物理現象使學生充分了解物理現象和規律，同時還使學生學習的主動性提高并激發了他們的思維。

2、MATLAB 用于實驗仿真

MATLAB 軟件能夠建立數學模型并改變參數，使學生能夠通過直接觀測圖形的變化而加深對知識的理解。以單自由度阻尼系統的阻尼系數對其固有振動模式的影響為例分析。用MATLAB 編程可以求解并畫出波形。改變初始條件，使x0=0，v0=1，得到新的波形。

系統的脈沖過渡函數為后一組曲線。一個單位的初速度v0 由脈沖激勵的最終效果形成，產生的波形即脈沖過渡函數。學生通過結合物理實驗和計算機能夠使物理現象和理論知識相連，利用仿真形象的描繪出之前很難描繪的曲線。加深學生對物理概念和MATLAB 的了解以及熟悉計算機的使用有利于調動他們學習的主觀能動性。MATLAB 通過指令就能在物理實驗教學中引入信息技術而整合傳統物理實驗課程，方便而直觀地輔助大學物理實驗。學生在接受基本技能訓練和基本實驗操作的同時，很好地在物理實驗中應用現代信息技術進而達到高效物理實驗教學的目的。

3、MATLAB 用于實驗數據處理

由數據處理手段制約的數據處理方法在物理試驗中起著至關重要的作用。在手工處理數據的條件下一般只能用到只對線性關系有效、效率低且易出現人為誤差的逐差法、作圖法和列表法等;可以分析非線性問題的Excel 或計算機高級語言編程等工具又會因為操作不便或編程復雜等問題而難以推廣在教學中;某些學生隨意改變數據以求實驗報告正確的行為會使數據無法得到客觀的處理和分析而失去實驗的真正意義;提供了大量科學計算函數的MATLAB 能夠非常快速便捷的處理傅里葉變換、數據插值和曲線擬合等問題。以下是電子荷質比測量的例子。

假設擬合函數是:U=aI2，代入實驗數據組U 和I。通過在MATLAB 中輸入相應的語句和數據會呈現出上圖以及電子的荷質比:1.7608 ×1011C/kg，實驗的相對誤差為0.11%。由圖可得部分原始數據點與擬合曲線有偏差，即實驗存在誤差。

三、結束語

通過論述MATLAB 在實驗的演示、仿真和處理數據方面具有安全、高校、直觀和便捷的特點體現出它在演示觀察困難的實驗現象上獨特的優越性。但在真實地環境中進行實際操作，學生的動手能力才得到有效提高。教師應該把物理實驗教學與更多的現代科學技術相結合、采取積極有效的改革并充分利用已有的教學資源，使物理實驗教學更加高效而豐富。

［1］李凌云，張敏銳，王海軍，胡孔贊.MATLAB 在高校物理實驗教學中的應用［J］.南京曉莊學院學報，2006，04:122－124.

［2］王安玲.Matlab 在大學物理實驗教學中的應用［J］.北京印刷學院學報，2012，06:64－66.

［3］陳順芳，徐四六.MATLAB 在大學物理實驗教學中的應用［J］.湖北科技學院學報，2012，12:9－11.