新10级4通信工程电磁场与电磁波实验指导书李路.doc
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《电磁场与电磁波》实 验 指 导 书李路编沈阳大学信息工程学院目录 实验一 熟悉MATLAB仿真软件实验二 等量同号点电荷电场实验三 等量异号点电荷的电势分布实验四 带电粒子在均匀电磁场中运动实验五 使用m语言对电磁场的仿真实验六 使用偏微分方程工具箱对电磁场的仿真课程编号：11211041 课程类别：学科必修课程适用层次：本科 适用专业：通信工程课程总学时：48 适用学期:第4学期 实验学时：12 开设实验项目数：6撰写人：李路 审核人：周昕 教学院长：范立南实验一：熟悉MATLAB仿真软件一、实验目的与要求1. 了解MATLAB应用开发环境2. 了解MATLAB的使用方法二、实验类型验证三、实验原理及说明掌握MATLAB的基本功能四、实验仪器序 号名 称主要用途1一台安装Windows2000的pc机计算机的具体要求：⒈Pentium3以上的CPU；⒉建议至少256MB的内存；⒊建议硬盘至少20GB4.安装MATLAB仿真软件。
运行MATLAB仿真软件五、实验内容和步骤 在Windows窗口中用鼠标双击MATLAB图标即可进入MATLAB的工作窗口（Command Window），如图1所示没有图标可利用MATLAB\bin目录下的MATLAB.exe文件在桌面上建立一个快捷方式图1 MATLAB工作窗口退出MATLAB的方法有三种：单击工作窗口右上角的关闭按钮；用菜单File→Exit MATLAB命令；或者直接在工作窗口中输入quit后回车工作窗口是标准的Windows窗口形式，用户在命令窗口中输入各种指令，进行运算；在左侧的变量窗口中监控当前所创立的所有变量Current Directory是系统的当前工作路径，MATLAB对函数或文件等进行搜索，用户每次文件的创建、保存都在这个路径下进行初次启动MATLAB时系统的默认工作路径是MATLAB目录下的Work子目录，如果要改变当前的工作路径，可以单击如图2所示的路径栏右侧的，在弹出的路径选择对话框内选择想要设置的路径图2 工作路径栏和选择工作路径对话框六、实验数据处理与分析1MATLAB系统基本有哪五个主要部分？2MATLAB的符号运算变量如何创建？实验二：等量同号点电荷电场一、实验目的与要求1. 学习了解MATLAB数据表示、运算符和表达式；2. 掌握等量同号点电荷电场的分布情况。
二、实验类型设计三、实验原理及说明MATLAB输入命令的方式有两种，一种就是在命令窗口中直接输入简单的语句，这种方式适应于命令比较简单、且处理的问题没有普遍应用性、差错处理比较简单的场合但是在进行大量重复性的计算时，或者语句结构比较复杂需要进行流程控制时，这种方式就不够灵活出现了另一种输入命令的工作方式：M文件的编程工作方式M文件是一个简单的文本文件，语法比一般的高级语言都简单，程序容易调试，交互性强；而且可以像一般文本文件那样在任何文本编辑器中进行编辑、存储、修改和读取（输入时用英文）这里用由MATLAB语句构成的程序文件（称作m文件，其扩展名为.m）进行编程设计MATLAB提供一个方便实用的M文件编辑器，利用它，用户可以完成程序的创建、编辑、调试、存储和运行等工作在MATLAB命令窗口中输入“edit”并回车，或者新建一个m-file文件，调出如下图所示的M文件编辑器（编辑窗口）四、实验仪器序 号名 称主要用途1一台安装Windows2000的pc机计算机的具体要求：⒈Pentium3以上的CPU；⒉建议至少256MB的内存；⒊建议硬盘至少20GB4.安装MATLAB仿真软件。
运行MATLAB仿真软件五、实验内容和步骤（一）建立等量同号点电荷电场的电场线方程首先建立电场线的微分方程（二维情况），因为电场中任一点的电场方向都沿该电场线的切线方向，所以满足：例如，这里假设二点电荷位于(-2,0)和(2,0)，二点电荷“电量”为q1和q2(均等于10)，由库仑定律和电场的叠加原理，得出下列微分方程：解此方程就可以绘出电场线二）使用M文件编辑器，编程实现同号点电荷电场线的绘制这里令y是微分方程的解矢量，它包括两个分量，y(1)表示x ，y(2)表示y ，解出y后就得到了x与y的关系，即可依次绘制出电场线当使用绘图语句时，MATLAB就自动打开一个图形窗口；如果已经有图形窗口存在，作图命令便会使用已存在的图形窗口如果使用命令figure，就会打开一个新的图形窗口每个图形窗口的标题栏都会有一个编号n ，打开第n个图形窗口的指令是figure(n) ；在已有图形上继续作图的指令是hold on ；取消这种功能的指令是hold off 图形窗口如图所示在图中，上端是菜单栏，选择tools菜单中Show Toolbar命令可以显示工具栏的图标各图标的含义分别是新建、打开、保存和打印文件，编辑图形、加注文字、画箭头和画直线，放大、缩小和旋转图形。
在按下工具栏上的“鼠标箭头”后，可以对当前的图形对象的各种属性（颜色、线宽、坐标格式、标志等）加以编辑File菜单下的“选项”（Preferences）可以改变图形窗口的各种功能，如数据格式、字体，图形存储的格式等举例编写函数文件dcx1fun.m ，再编写主程序dcx1.m ，如下在命令窗口中键入dcx1，并回车即可实现，二点电荷位于(-2,0)和(2,0)同号点电荷电场线的绘制三）要求动手设计一个二点电荷位于(-1,0)和(1,0) ，同号点电荷电场线的绘制程序，并画出绘制图形六、实验数据处理与分析（一） 数据格式及表示MATLAB使用常规的十进制表示法，小数位数不限，可以用加号和减号表示正负数10的幂用e加上数字表示虚数单位是i和j ，数字后直接加上i或j表示虚数，中间不要有空格或者乘号；但表达式中要在变量名和虚数单位间加上*号以下都是合法的数值表示法二） 运算符和操作符（1） 一般运算符单个数据的运算有加、减、乘、除、幂和括号，所用的算符分别是：+ - * / ^ ( ) （2） 操作符冒号“：”此符号在矩阵（数组）的构造和运算中非常有用，可以用来产生矢量（数组），其基本用法有： j:k 等价于[j,j+1,……,k] 若j>k则返回空值 j:i:k 等价于[j,j+i,j+2*i,……,k] 若i>0则要求j
此外，冒号还可以用作矩阵的下标，以及部分的选择矩阵的元素，执行循环操作等百分号“%”此符号在命令行中表示注释，即在一行中百分号后面的语句都被忽略而不被执行连续点“…”如果一条命令很长，一行容不下，可以用3个点加在一行的末尾，表示此行未完，而在下一行继续分号“；”用在每行命令的结尾，要求执行命令但不显示计算结果3） 关系运算符关系运算符主要用于在数与数、矩阵与矩阵之间进行比较，基本的有（4） 逻辑运算符 在MATLAB中包含与“&”、或“|”、非“~”、异或“xor”四种逻辑运算符三） 变量与表达式用运算符把数字、变量和函数组合在一起，就建立了一个表达式例如X0=abs(sin(randn))在MATLAB中，一个变量可以通过给它分配一个数值或表达式来定义，如下所示：variable = expression一个变量的值可以通过输入它的名字=值（或表达式），并按回车键获得，MATLAB以显示这个变量的名字和值作为回答如果这个变量并不存在，就显示一个错误信息，如图所示图6 显示变量在expression之后可以加分号后按回车键，也可以直接按回车键没有结尾分号的每个命令在屏幕上显示出其结果；若结尾带分号，就执行计算，但计算结果并不显示。
如果不指定变量而直接输入expression项，则MATLAB用ans（answer的缩写）显示这个值七、预习与思考题1、MATLAB输入命令的方式有哪些？2、什么是M文件？ 实验三：等量异号点电荷的电势分布一、 实验目的与要求1. 掌握命令窗口中直接输入语句，进行编程绘制等量异号点电荷的电势分布图；2. 掌握二维网格和三维曲面绘图的语句二、实验类型设计三、实验原理及说明这里在命令窗口中直接输入简单的语句进行编程设计MATLAB有几千个通用和专用的函数文件函数名称函数功能inputm语言输入语句figure创建图形对象refresh刷新图形plot直角坐标系中绘图title标注图形名称xlabelX轴参量标注ylabelY轴参量标注text在图形上标注文字注释grid在图形上加坐标网格subplot将图形窗口分为若干子图mesh3D网格图functionm语言的函数文件sum求各列元素的和cross为两个矢量的矢量积（叉积）dot为两个矢量的数量积（点积）imag显示复数的虚部real显示复数的实部四、实验仪器序 号名 称主要用途1一台安装Windows2000的pc机计算机的具体要求：⒈Pentium3以上的CPU；⒉建议至少256MB的内存；⒊建议硬盘至少20GB4.安装MATLAB仿真软件。
运行MATLAB仿真软件五、实验内容和步骤（一）建立等量异号点电荷的电势方程物理情景是oxy平面上在x=2,y=0处有一正电荷，x= -2,y=0处有一负电荷，根据计算两点电荷电场中电势的分布，由于（二）利用MATLAB的函数, 绘制等量异号点电荷的电势分布图首先选定一系列的x和y后，组成了平面上的网络点，再计算对应每一点上的z值例如-5:0.2:5,-4:0.2:4分别是选取横坐标与纵坐标的一系列数值，meshgrid是生成数据网格的命令，[x,y]是xy平面上的坐标网格点z是场点(x ,y)的电势，要求写出z的表达式这里用到MATLAB的函数mesh（）描绘3D网格图，meshgrid（）描绘在3D图形上加坐标网格，sqrt（）求变量的平方根mesh（）是三维网格作图命令，mesh(x,y,z)画出了每一个格点(x,y)上对应的z值（电势）在命令窗口中直接输入简单的语句，如下解1解2当场点即在电荷处时，会出现分母为零的情况，因此在r里加了一个小量0.01，这样既可以完成计算，又不会对结果的正确性造成太大影响另外需要注意的是表达式中的“./ ”、 “.^ ”是对数组运算的算符，含义与数值运算中的“./ ”、 “.^ ”相同，不同之处是后者只对单个数值变量进行运算，而前者对整个数组变量中的所有元素同时进行运算。
解2为了减少计算量，增加精确度，与先前的示例相比，计算范围由原先的-5
