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.

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1 运用Matlab GUI辅助大学物理实验 蒋志洁 中山大学 物理学院

2 ◎ 研究背景 目录 ◎ 设计原理 ◎ 事例展示

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 事例1：光栅衍射的仿真 N= (b) N=30 正入射的光栅衍射

9 事例1：光栅衍射的仿真 (a) 入射角 (b) 入射角-300 斜入射的光栅衍射仿真

10 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

11 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”

12 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

13 事例2：傅科摆运动的仿真

14 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

15 事例2：傅科摆运动的仿真 不同纬度傅科摆的运动轨迹

16 事例3：单摆的受迫振动模拟

17 事例3：单摆的受迫振动模拟

18 事例3：单摆的受迫振动模拟

19 事例3：单摆的受迫振动模拟

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21 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。

22 谢谢聆听 欢迎批评指正

23 程序演示