基于MATLAB的中学物理辅助教学应用研究.doc

基于MATLAB的中学物理辅助教学应用 研究赵明月顺德第一中学摘要：物理学科作为一门较为抽象的自然学科，常需要借助实验加以阐述，然而在面 对诸如电学等具体概念时，却难以生动形象地演示，影响教学效果借助 MATLAB软件，可以对实验进行模拟仿真，将复杂问题简单化，以达到提高学生 对于物理知识点的理解吸收的效果关键词：中学;物理;微积分;电场;MATLAB;作者简介：赵明月，广东省佛山市，顺德第一中学一、引言在中学课程设置中，物理作为一门较为抽象的自然学科，为了较好地理解基础 知识点和物理概念，实验操作成为课堂教学的重要组成部分然而，物理中存在 诸如电学光学等概念时却难以通过实验进行生动形象的展示，导致学生理解起 来较为困难，影响教学效果另一方面，中学受限于实验仪器设备等硬件设施和 时间安排，难以让每个学生充分进行实验调试MATLAB作为一种经典的数值计 算软件，利用其强大的计算能力和丰富的绘图功能，可以帮助教师进行辅助教 学，对物理现象和过程进行动态化深层次解析，有效促进学生对于知识点的掌 握，进一步建立电学实验仿真平台，让学生参与编程，不仅可以提高教学效果， 还利于学生发散思维二、数学模型以电学为例说明均匀带电直导线的电场强度，假设电细棒的长度为L,其中带 电量为Q,如何求解计算与电导线距离为a的垂面上P点的电场强度。

由于电荷 在带电直导线上均匀分布，其电荷线密度为u=Q/L,根据高中数学微积分知识, 可将带电细棒分割成无数多个线元任取某线元dy,那么其带电量为dq=udy, 此时该线元在直导线中垂面P点处产生的场强dE为其中，e为介电常数，y为电导线底端与线元之间的距离由于P点位于电导线中垂面之上，即纵坐标b=L/2,即电导线上下线元对P点的 场强在纵轴上的分量大小相等，且方向相反，即存在对称性而相互抵消该线元 在横轴上的分量为则P点的电场强度为三、MATLAB仿真对于中垂面上的点，由于上下呈现对称特性，可较为方便得到解析解然而对于 其他点而言，则求解难度较大，此时借助微积分数值求解较为容易将带电细棒 均匀分割成N段，当N趋于无穷大时，可将所有线元电场强度累加得到以电细 棒作为纵轴，垂直而为横轴，细棒底端为原点，设P点横坐标为a,纵坐标为b, 那么第n个线元的电荷量为Q/N,其在P点的场强E”为由于该场强方向与水平线存在夹角，因此可将其分解为水平分量和纵向分量将 所有N个线元在P点产生的电场场强进行矢量累加，即可得到有效电场强度，其 水平分量和纵向分量分别为U!仿真结果在本次仿真中，假设电棒带电量为1C,长度为10nu当P点位于电棒法线垂直面 上时，随着横坐标a的增大，其距离电棒的距离越远，此时电场强度也将下降。

当横坐标a=0. 01时，数值解与精确解误差达到92.05%,而当达到10时，其误 差可以降到8X10随着电棒分割的线元数目增加，数值计算得到的结果与精确 解之间的差异逐渐减小，可以满足多数工程指标要求为了观察不同坐标位置处 电场强度变化趋势，绘制电场强度随横坐标和纵坐标变化时的趋势图，通过三 维图形可以看出，当a>0时随着其值增大而逐渐减小，对于1)而言，其远离法线 时场强强度也将逐渐减小，如图所示五、小结将传统课堂教学与MATLAB计算机仿真进行有机结合，针对抽象问题开展多层次 辅助教学，发挥各自优势，在教学中理解概念，实验中通过观察对比掌握知识 点，循序渐进，从而达到提高物理课堂教学效果的目的学生在课堂之余通过 MATLAB计算机编程仿真，可以实现信息技术与课程教学的有效融合，培养对于 自然科学技术的兴趣，增强课堂参与感，充分发挥学生的主观能动性，进一步 提同动手实践能力参考文献U］何红雨.电磁场数值计算法与MATLAB实现［M］.华中科技大学出版社，2004.［2］王明伟，李茜，李秦君.Matlab辅助大学物理光学教学［J］.现代电子技术， 2004, (27) : 92-93.。