點(diǎn)電荷系電勢的malab仿真在大學(xué)物理電學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

點(diǎn)電荷系電勢的malab仿真在大學(xué)物理電學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

作為一門基礎(chǔ)科學(xué)，考古學(xué)不僅是所有科學(xué)的基礎(chǔ)，也是科學(xué)、技術(shù)和特別是高科技的重要源泉。大學(xué)物理課程涉及的知識面廣,數(shù)學(xué)計算比較復(fù)雜,其中的電學(xué)部分,其理論性強(qiáng)、概念抽象、公式繁雜,學(xué)生往往覺得較為抽象不易掌握。而電學(xué)是普通物理學(xué)的重要組成部分,學(xué)好電學(xué),對于今后的學(xué)習(xí)和工作都具有十分重要的意義,對于整個大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)都具有很重要的意義。由于課程本身的難度,一些學(xué)生對此課程不感興趣,在一定程度上影響了教學(xué)效果。然而成功的教學(xué)需要的不是強(qiáng)制,而是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此,作為講授大學(xué)物理課程的教師,其課堂教學(xué)的首要任務(wù)就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,促使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)。本文根據(jù)教學(xué)的需要,用MATLAB軟件仿真了不同點(diǎn)電荷系的電場線和等勢面的分布,并將仿真結(jié)果用于大學(xué)物理電學(xué)的教學(xué)過程中,致力于增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高課堂教學(xué)的效果。1matlab軟件MATLAB軟件是美國MathWorks公司開發(fā)的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件,它是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言,集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體。其豐富的庫函數(shù)和各種專用工具箱,將使用者從繁瑣的底層編程中解放出來。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值模擬工具箱和偏微分方程工具箱,這兩種工具箱應(yīng)用在大學(xué)物理電學(xué)的數(shù)值仿真中具有無比的優(yōu)勢。在電學(xué)中MATLAB軟件可以用于仿真兩點(diǎn)電荷的電勢分布,根據(jù)教學(xué)需要可以將仿真做成動態(tài)的,還可以仿真靜止點(diǎn)電荷電場線的分布。在計算復(fù)雜的矢量微積分運(yùn)算時,可以用軟件提供的微積分函數(shù)來實現(xiàn),包括微分方程及超越方程,用軟件現(xiàn)有的命令很容易計算。研究電場的在三維空間的合成,不僅形象,而且可隨意提取需要的部分。2matlab中電勢分布函數(shù)的計算用MATLAB軟件仿真點(diǎn)電荷系場強(qiáng)和電勢分布時,首要的工作是計算出空間電勢分布的函數(shù)式,然后將函數(shù)式按照規(guī)范轉(zhuǎn)化成MATLAB語言,利用contour、gradient、quiver函數(shù)來做圖。2.1等勢面分布仿真靜止三點(diǎn)電荷構(gòu)成的點(diǎn)電荷系統(tǒng)如圖1所示。點(diǎn)電荷的電量分別為Q1、Q2、Q3,相距分別為a,位置坐標(biāo)分別為(-a,0)、(0,0)、(a,0)。在空間任一點(diǎn)(x,y)處的電勢分布為取Q1=1、Q2=1、Q3=-1,間距為a=1,用MATLAB軟件仿真得到的三等量異號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖2所示。其中的帶箭頭的射線表示場強(qiáng)的分布,等勢面是與電場線相互垂直的曲面。仿真時,一旦程序建立并運(yùn)行成功,可隨意進(jìn)行參數(shù)的變化,例如當(dāng)距離不變,電荷電量發(fā)生變化時,即Q1=2、Q2=1、Q3=-1,得到三不等量異號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖3所示。而當(dāng)距離不變,三點(diǎn)電荷變成同號時,即Q1=Q2=Q3=1,得到三等量同號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖4所示。如果靜止三點(diǎn)電荷恰好位于等邊三角形的頂點(diǎn),如圖5所示。等邊三角形邊長為2a,點(diǎn)電荷Q1、Q2、Q3的位置坐標(biāo)分別為(-a,0)、(0,3a)、(a,0)。在空間任一點(diǎn)(x,y)處的電勢分布為取Q1=Q2=Q3=1、a=1,仿真得到的三等量同號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖6所示。如果改變電荷的電量,將位于y軸的點(diǎn)電荷變成負(fù)的,即Q2=-1,得到三等量異號且構(gòu)成三角形的點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖7所示。2.2空間電勢面分布靜止四點(diǎn)電荷構(gòu)成的點(diǎn)電荷系統(tǒng)如圖8所示。點(diǎn)電荷的電量分別為Q1、Q2、Q3、Q4,分別位于邊長為2a的正方形的頂點(diǎn),位置坐標(biāo)分別為。在空間任一點(diǎn)(x,y)處的電勢分布為取四點(diǎn)電荷同號,Q1=Q2=Q3=Q4=1、a=1,用MATLAB軟件仿真得到的四等量同號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖9所示。改變電荷的電量,將位于y軸負(fù)半軸的點(diǎn)電荷變成負(fù)的,即Q4=-1,其它電荷電量不變,得到四等量異號點(diǎn)電荷電場線和等勢面分布如圖10所示。3點(diǎn)電荷系的模型仿真由此可見,用MATLAB軟件仿真點(diǎn)電荷系的電場線和等勢面分布是可行的,利用此軟件可以仿真不同類型的點(diǎn)電荷系的電場線和等勢面分布,只要是點(diǎn)電荷系電荷分布已知,系統(tǒng)的電勢函數(shù)能夠用理論公式表示出來,則將很容易的用MATLAB軟件仿真。得到的分布圖可以使教學(xué)過程更生動和形象化,讓學(xué)生消除對電學(xué)部分學(xué)習(xí)的恐懼。教師在上課前可將點(diǎn)電荷系的模型與仿真結(jié)果作好,并且一旦模型建立,教師在課堂授課時可隨意更改電荷的電量與位置坐標(biāo)參數(shù),用時只需幾分鐘,重新仿真也只需1分鐘左右。如果需要將電荷的電量與位置坐標(biāo)變化對電場線和等勢面分布的影響做得更生動性形象,則可用現(xiàn)有的getframe函數(shù),對其分布作動態(tài)仿真。我國有很多學(xué)者致力于教改方面的研究,陳秉乾在2010年的《大學(xué)物理》中描述了電學(xué)方面教學(xué)中應(yīng)該注意的幾個問題,在提高教學(xué)質(zhì)量方面,劉玉申在2010年提出了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性的幾點(diǎn)建議,姜成果則于同年提出了預(yù)習(xí)對于提高電學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的作用。在電學(xué)教與學(xué)的過程中,教師和學(xué)生的共同感受是,有些物理概念難于掌握,如何將難講的內(nèi)