林琳 迎春

摘要：数值计算在物理教学中有着不可忽略的地位，但由于各方面的困难，在大学物理教学中很难体现出它的地位。本文把madab程序模拟引入到大学物理教学当中，使一些抽象性、复杂性较强的物理现象，通过数值模拟使这些物理问题理解容易，学生更易接受，便于更好的掌握物理知识和應用物理知识，激发学生学习兴趣，提升课堂教学效果。

关键词：物理教学;数值模拟;matlab

一、物理教学中的困境

物理是工科院校必开的一门公共课，其科学严谨、求真务实的理念在提高学生科学素养和引领学生树立正确的人生观、世界观、价值观以及增强学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的探索精神和创新意识等方面，具有其他课程不可替代的作用。但由于某些物理现象的复杂性和抽象性，不利于学生快速、深入地理解所学内容，使学生在学习过程中容易产生畏难情绪，对物理失去学习兴趣。导致学习效果不好，最终只能交出一张不合格试卷，教师和学生都不满意。为改善这种状态，要求教师在教学过程中，应使教学内容尽可能的通俗化、直观化，让学生尽可能在短的时间内理解掌握所学知识。

在这样的教学理念下，教育工作者开始把数值计算与模拟技术应用到物理教学当中，如刘会玲等[1]应用MATLAB绘制两相互垂直斜锯齿振动与简谐振动合成;刘兆龙等[2]利用Excel软件将数值计算嵌入大学物理课程的方法。等等。数值计算不仅可以对物理问题进行数值计算求解，还可以对某些物理问题进行模拟仿真，输出的仿真图像直观、清晰、形象、生动和真实，学生看过之后对物理知识的理解更加深刻，有效提高大学物理的教学效果，还可以培养学生的数值计算和模拟能力，为学生在高年级专业课学习以及大四进行毕业设计打下良好基础。

MATLAB软件就是这样的一种软件。教师在讲课过程中把MATLAB融入教学内容当中，学生结合课程内容在学习和解题过程中认真体会，能更好的、更深层次的理解掌握教师在课堂所讲内容。

二、Matlab在物理教学中的应用

现在我们以相互垂直的简谐振动的合成为例，来分析采用计算模拟可以帮助学生更好的理解振动的合成。

现一质点同时参与两个垂直方向的振动，x=A₁cos（ω₁t+φ₁₀）y=A₂cos（ω₂t+sφ₂₀）且两振动的频率相差较大，但有简单的整数比。编写命令式m文件，两振动的振幅、初相位以及角频率由input语句输入，如Al-input（振幅A1=）等，这里就不一一列出，垂直的两振动合成其主要程序如下：

N=400：

t=linspace（0，t1，N）：

x=A1*cos（W1*t+a1）：

y=A2*cos（W2*t+a2）：

plot（x，y）

运行该程序，在命令窗口需输入两个振动的振幅、频率以及初相位等，图1是两振动的振幅相等，频率之比为1：3，相位差为π/2时图形。由于振幅·频率以及相位是人为手动输入的，可根据实际的情况来输入，以此获得相应的图形。

图1频率之比为1：3相位差桅π/2的两振动的合成图

对相互垂直的两个振动合成时，还可以用simulink来仿真，仿真如图2所示

图4频率之比为1：3相位差为π/2的两振动的合成图

通过图3参数设置对话框改变分振动的频率、相位得到不同的利萨如图形，图4给出的是频率之比为1：3，两个分振动相位之差为π/2时的图形。从图中可以直观的看出相互垂直的两个分振动合成之后的情形。上面的仿真图也可以再两个分振动连接一示波器，这样还可以观察分振动的振动曲线。

把数值计算引入到物理教学中，不仅丰富教学方法，而且是一些难于理解的概念更佳明了。如再讲电场强度与等势面关系时，若画出图形，便能直观的观察，便于理解。下面以电偶极子（如图5所示）为例，电偶极子的极轴为2a，电荷量q=2×10^-6C，主程序如下：

r+=sqrt（（X-a）^2+Y.^2）;

r-=sqrt（（X+a）.^2+Y.^2）;

V=q*k*（1./r+-1./r-）;

[Ex，Ey]=gradient（-V）;

AE=sqrt（Ex.^2+Ey.^2）;

Ex-Ex./AE;

Ey=Ey./AE;

图六为模拟图，从图中可以看出电场线与等势面是相互垂直的，直观形象，这对学生掌握电势与电场的关系的理解较容易。

三、结论

把数值计算（Matlab、Excel等）引入到大学物理教学当中，这对教师和学生来说都是能实现行的，上面的程序通俗易懂，学生很容易接收并掌握。只需要输入不同参数，就可以绘制出各种情况下的的轨迹图形。利用Matlab编程还可以模拟斜抛运动、麦克斯韦速率分布、杨氏双缝干涉图样等等。物理是一门实验很强的基础学科，在物理教学中的许多内容无法在课堂上开展试验，这样学生对理论的理解接授有一定的困难，从而使一部分学生失去学习物理的兴趣。若通过数值计算把实验能够模拟出来，把抽象的内容用直观的图形呈现出来，学生便于理解接受，从而提高教学质量。

参考文献：

[1]刘会玲，王小克，牛海波等.Matlab在绘制两相互垂直斜锯齿振动与简谐振动合成运动轨迹图形的应用[J].物理与工程，2019（1）：110-115

[2]刘兆龙，胡海云.在大学物理课程中嵌入数值计算的捷径[J].物理与工程，2017（5）：71-76

基金项目：内蒙古工业大学教改项目（2019237）和内蒙古工业大学《光纤通信》混合式课程建设项目支持。

作者简介：林琳（1974-），女，汉族，内蒙古赤峰人，副教授，研究方向：物理教育。