Matlab在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

1、Matlab在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用信息技術(shù)與物理教學(xué)的整合，體現(xiàn)了物理教學(xué)的現(xiàn)代化，是物理教學(xué)的改革方向之一，也符合新課程改革的要求。因此，如何將計算機(jī)技術(shù)方便、高效地滲透到中學(xué)的物理教學(xué)之中，從而提高課堂效率、提高學(xué)生的認(rèn)知和理解能力，成為了新課改下一名物理教師所必須學(xué)習(xí)和研究的重要課題。筆者對于Matlab語言如何應(yīng)用到現(xiàn)代中學(xué)物理教學(xué)中，進(jìn)行了初步的嘗試，僅列舉Matlab語言對磁感強(qiáng)度實驗仿真一例與同行共勉。一、理論原理畢奧薩伐爾定律（BiotSavart）：若是閉合回路上任一電流元，則在離電流元的距離為處，該電流元產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度為：式中為真空中的磁導(dǎo)率，是沿方向的單位矢量，為電流元到

2、考察點(diǎn)的矢徑。若將視為一小段電流在處產(chǎn)生的磁場，則上式可寫為：若要求n段電流元在產(chǎn)生磁感強(qiáng)度，則有：此式可以應(yīng)用于任意形狀電流在空間空任意地點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度。式中表示電流元在笛卡爾直角坐標(biāo)系中沿坐標(biāo)軸的分量。對于（3）式，我們分別對單匝環(huán)形通電線圈和多匝線圈編寫相應(yīng)的MATLAB程序，不難得到磁感強(qiáng)度在二維坐標(biāo)平面內(nèi)的分布圖。二、MATLAB程序設(shè)計與實現(xiàn)1單匝環(huán)形通電線圈形成的磁感強(qiáng)度程序編寫如下：clearrh=25；i0=10；mu0=4*pi*1e-7；n=1m=（n+1）/2xmax=6；ymax=6；ngrid=40；cx（1：ngrid，1：ngrid）=zeros；cy（1：n

3、grid，1：ngrid）=zeros；c0=mu0/4*pi；nh=20；ngrid1=nh+1；xmax1=0；ymax1=2*pi；xplot=linspace（-xmax，ymax，ngrid）； yplot=linspace（-xmax，ymax，ngrid）；theta0=linspace（0，2*pi，21）；theta1=theta0（1：nh）；y1=rh*cos（theta1）；z1=rh*sin（theta1）；theta2=theta0（2：nh+1）；y2=rh*cos（theta2）；z2=rh*sin（theta2）；dlx=0；dly=y2-y1；dlz=z2-

4、z1；xc=-（n-1）/2：2：（n-1）/2；yc=（y2+y1）/2；zc=（z2+z1）/2；for k=1：mfor i=1：ngridfor j=1：ngridrx=xplot（j）-xc（k）；ry=yplot（i）-yc；rz=0-zc；r3=sqrt（rx2+ry2+rz2）3； dlxr_x=dly*rz-dlz*ry；dlxr_y=dlz*rx-dlx*rz；bx（i，j）=sum（c0*i0*dlxr_x/r3）；by（i，j）=sum（c0*i0*dlxr_y/r3）； endend cx（1：ngrid，1：ngrid）=cx（1：ngrid，1：ngrid）+bx

5、（1：ngrid，1：ngrid）； cy（1：ngrid，1：ngrid）=cy（1：ngrid，1：ngrid）+by（1：ngrid，1：ngrid）；endquiver（xplot，yplot，cx，cy）；hold onplot（xc，rh，r*）hold onplot（xc，-rh，r*）計算機(jī)仿真得到單匝線圈的磁場分布如圖1所示：圖1，ngird（網(wǎng)格數(shù)）=40圖1中可以清晰的看到平面上每一個格點(diǎn)上矢量箭頭的方向、長度不等，這就形象地說明了磁感應(yīng)線上任意一點(diǎn)的切線方向為該點(diǎn)磁感強(qiáng)度的方向，箭頭的長度代表磁感強(qiáng)度的大小。值得注意的是：越靠近線圈與平面的交點(diǎn)，磁感強(qiáng)度越大，反映到圖中

6、可以明顯地看到這一區(qū)域的箭頭旋轉(zhuǎn)越明顯，分布越密集，近似于一個旋轉(zhuǎn)的圓環(huán)。2多匝環(huán)形通電線圈形成的磁感強(qiáng)度前面程序中，常數(shù)參數(shù)方程：m=（n+1）/2，其中m代表線圈匝數(shù)，若把n=1改成n=3就得到如圖2的雙匝線圈產(chǎn)生的磁場分布；若把n=1改成n=11就得到如圖3的6匝線圈產(chǎn)生磁場分布。圖2，ngird（網(wǎng)格數(shù)）=40圖3，ngird（網(wǎng)格數(shù)）=40通過比較圖2和圖3，可以看出n匝通電螺線管外部的磁場分布近似等同于條形磁鐵周圍的磁場分布，讓學(xué)生能夠更加直觀、形象的對通電螺線管外部的磁感線分布有清晰的認(rèn)識，對于學(xué)生深化對閉合磁感線的概念理解大有益處?？傊谖锢斫虒W(xué)中適當(dāng)引入類似的計算機(jī)數(shù)值模擬

7、仿真的研究方法將有助于學(xué)生對物理概念的深化，激發(fā)學(xué)生主動探索知識的積極性以及綜合能力的培養(yǎng)。將Matlab應(yīng)用到中學(xué)物理教學(xué)中的方面還有很多，方法也可以更加豐富，筆者對Matlab在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用只是進(jìn)行了初步的探索，希望能夠起到拋磚引玉的作用。參考文獻(xiàn)：1賈起民，鄭永令，陳暨耀電磁學(xué)（第二版）高等教育出版社2程守洙，江之永普通物理學(xué)（第五版）M高等教育出版社3 HYPERLINK /search.aspx?index=2&q=%e9%99%88%e6%80%80%e7%90%9b o 搜索陳懷琛的圖書 陳懷琛 HYPERLINK /2120984 t /gzwl/rjbgzwl/rjgzwlwd/201109/_blank MATLAB及其在理工課程中的應(yīng)用指南M HYPERLINK /search.aspx?index=3