运用Matlab GUI辅助大学物理实验 蒋志洁 中山大学 物理学院 2016-7-19
◎ 研究背景 目录 ◎ 设计原理 ◎ 事例展示
研究背景 物理原理的复杂性 资源的局限 MATLAB GUI 的优势 波动光学的理论较抽象 光学实验的现场演示需要稳定的环境,复杂的光路调试占用较多的课堂时间 傅科摆面的进动非常缓慢,观察起来需要极大的耐心,不利于教学 资源的局限 我校三地五校区办学,物理演示实验资源有限,教师人手紧缺,对非物理专业学生一般不开设演示实验 MATLAB GUI 的优势
设计原理 物理的基本原理--数学模型 MATLAB函数库 MATLAB GUI 便捷的人机交互界面
事例展示 光栅衍射的仿真 傅科摆运动的仿真 单摆的受迫振动模拟
事例1:光栅衍射的仿真 夫琅和费光栅衍射的实验示意图 - 光栅衍射谱线分布受光栅缝数、光栅常数、透光缝宽、透镜焦距、入射光波长及入射方向等因素的影响 - 传统的光栅衍射实验:参数的改变和光路的调节较困难
事例1:光栅衍射的仿真 光栅衍射的GUI界面布局 两个axes控件: 四个按钮: 实验参数: - 光栅衍射光谱 - 光强分布的变化曲线 -“运行”、 -“初始化”、 -“退出”、 -“缺级分布” 实验参数: - 光栅缝数 - 光栅常数 - 透光缝宽 - 透镜焦距 - 入射光波 - 入射方向
事例1:光栅衍射的仿真 N=5 (b) N=30 正入射的光栅衍射
事例1:光栅衍射的仿真 (a) 入射角300 (b) 入射角-300 斜入射的光栅衍射仿真
事例2:傅科摆运动的仿真 原理 运动方程 地球自转,科里奥利力 实验演示面临困难: 傅科摆面的进动非常缓慢,观察起来需要极大的耐心 傅科摆运动轨迹还受制于当地的纬度,无法探究科里奥利力与纬度的关系 运动方程 李钢. 用Matlab 动态模拟并分析傅科摆的运动[J].力学与实践,2004:26 (1),72-74 张偶利,胡其图,张小灵,邓晓.傅科摆运动轨迹的计算机动态模拟及其教学应用[J].物理与工程,2006,16(2):37-40
事例2:傅科摆运动的仿真 axes1控件 axes2控件 按钮“设置”: 设定初值条件 三个滑动条: 设置纬度,控制傅科摆的实验场景的视角,即方位角和仰角 控制按钮: “开始” “暂停/继续” “复位”、 “退出”
事例2:傅科摆运动的仿真 (a)初始条件:[10,0,0,0] (b)初始条件:[10,0,2,2] 北纬250傅科摆的仿真结果
事例2:傅科摆运动的仿真
事例2:傅科摆运动的仿真 [8,8,0,4] [8,-8,0,4] [0,10,2,0] 赤道上傅科摆的运动轨迹
事例2:傅科摆运动的仿真 不同纬度傅科摆的运动轨迹
事例3:单摆的受迫振动模拟
事例3:单摆的受迫振动模拟
事例3:单摆的受迫振动模拟
事例3:单摆的受迫振动模拟
总结 非物理专业学生的物理基础比较薄弱,为了提高教学效果,采用Matlab GUI进行仿真实验演示是一种行之有效的教学方法,学生普遍反映对物理概念理解更加深刻,对物理规律的认识更加全面。 总之,这种直观形象的教学方式不仅可以达到激发学生学习的兴趣、提高学习积极性的目的,还可以引导学生自发性地去探究物理原理,培养自主探究精神。
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