论文-Matlab在物理学中的应用
MATLAB在中学物理教学中的应用
MATLAB在中学物理教学中的应用目录1 MATLAB软件简介 (3)1.1M ATLAB的功能 (4)1.2M ATLAB的特点 (5) (5) (5) (6)2 MATLAB在物理教学中的应用 (6)2.1M ATLAB在中学物理教学中的应用具有可行性 (6)2.2M ATLAB在中学物理教学中的应用具有优越性 (7)3 MATLAB在物理教学中的具体应用 (8)3.1多普勒效应的验证 (8) (9) (10) (10)3.2重力随地球纬度变化规律 (11) (11) (12) (12) (13)3.3M ATLAB求解中学物理极值的应用 (15) (15) (15) (16)4 结束语 (17)参考文献： (17)MATLAB在中学物理教学中的应用张铖（宁德师范高等专科学校物理系福建宁德 352100）摘要:根据中学物理新课程标准要求以及多媒体教学受到人们的日益重视程度，制作多媒体课件的能力日趋成为衡量一个教师教学能力的标准之一。
Matlab功能强大且简单易用，本文首先对Matlab的历史及主要组成框架进行了简单介绍，根据MabLab的功能和特点，分析了Matlab对物理教学的影响，并通过利用Matlab对中学物理中典型案例教学进行演示得出结论认为，Matlab适用于中学物理教学。
关键词：MATLAB 物理教学应用随着信息技术的发展，多媒体教学越来越受到人们的关注与重视。
中学物理《课程标准》指出：现代信息技术的发展对物理教育的价值、目标、内容以及学与教的方式产生了重大的影响、物理课程的设计与实施应重视运用现代信息技术、特别要充分考虑计算机对物理学习内容和方式的影响。
大力的开发并向学生提供更为丰富的学习资源，把现代信息技术作为学生学习物理和解决问题的强有力工具，致力于改变学生的学习方式，使学生乐意并有更多的精力投入到现实的、探索性的物理学习活动中去。
Matlab 是美国 MathWorks 公司从 20 世纪 80 年代中期推出的数学软件，具有优秀的数值计算能力，卓越的数据可视化能力及声音处理能力的高性能语言[1]，是当今国际上公认的科技领域方面最为优秀应用软件和开发环境。
matlab在中学物理教学中的应用
matlab在中学物理教学中的应用
现代教育中，中学物理教学是一个重要的部分，它可以借助一些方法和技术，来进行
教学和学习，并能解决物理问题。
近年来，MATLAB作为一种高级技术软件，已经得到各大学校等教育机构的广泛应用。
其实，Matlab在中学物理教学中是非常有用的。
Matlab可以运行大量数学模型，可
以使数学领域的计算更加容易、快捷、方便，同时它还有一个可视化功能，可以帮助学生
更清楚地理解物理现象和模型，以及物理规律。
还可以用Matlab模拟、预测物理中的实
际事物，帮助学生更好体会实验过程。
此外，Matlab的优点还在于可以构建和仿真复杂的物理模型。
由于它有运算、编程以及抽象表达的功能，因此可以帮助学生更加深入地理解和研究物理现象和模型的原理。
比
如通过Matlab来建立力学仿真模型，可以帮助学生仿真研究力学中的物体运动轨迹，以
及运动学中物体运动状态的改变，有助于学生更好地理解和熟悉力学中的模型。
最后，Matlab也可以建立多个物理模型，并进行分析，这样可帮助学生更好地理解和探究物理现象，物理机理以及物理规律，在学习上起到极大的帮助作用。
总而言之，Matlab作为一种高级技术软件，已经在中学物理教学中得到越来越的应用，它拥有计算、可视化以及构建复杂物理模型等优点，可以帮助学生更加深入、全面、准确
地理解物理现象和物理规律，为教学带来极大的便利。
适合用matlab解决的经典物理例题
适合用Matlab解决的经典物理例题在物理学领域，经典物理例题一直是学习和研究的重要内容。
而Matlab作为一种强大的数学软件，非常适合解决各种物理问题。
本文将从力学、电磁学和热力学等多个方面，选取一些经典的物理例题，通过Matlab进行分析和求解，展示Matlab在解决物理问题时的强大用途。
1. 简谐振动问题简谐振动是物理学中一个重要的模型，涉及到弹簧振子、单摆等问题。
通过Matlab可以很方便地求解简谐振动的运动规律。
对于弹簧振子的运动方程，可以通过Matlab进行数值模拟，得到振动的周期、频率、位移等参数，从而更好地理解简谐振动的特性。
2. 电场问题在电磁学中，电场是一个重要的研究对象。
通过Matlab可以很容易地分析不同形状的电荷分布所产生的电场分布。
可以通过Matlab计算出点电荷、均匀带电细棒等情况下的电场分布，并绘制出电场线图，直观地展现电场的分布规律。
这样的分析对于理解电场的性质和相互作用具有重要意义。
3. 热传导问题热传导是热力学研究的一个重要方面，涉及到导热方程的求解和热量分布的分析。
通过Matlab可以对不同材料和形状的热传导问题进行数值模拟和求解。
可以通过Matlab计算出棒状材料中的温度分布随时间的演化，从而得到材料的热传导性能。
这样的分析对于工程实践中的热设计和材料选型具有重要指导意义。
4. 万有引力问题在力学中，万有引力是一个经典的例题，涉及到行星轨道、卫星运动等问题。
通过Matlab可以很方便地进行万有引力场下的物体运动模拟。
可以通过Matlab计算地球和月球的引力作用下的月球轨道，从而揭示天体运动的规律和特性。
这样的模拟对于探索宇宙中天体运动规律具有重要帮助。
总结回顾：通过以上例题的分析，我们不仅了解了Matlab在经典物理例题中的应用，也可以发现Matlab在解决物理问题时的便捷和高效。
当然，实际物理问题可能具有更多的复杂性和多样性，需要结合理论分析和实验数据进行综合研究。
谈matlab在物理教学中的应用
谈matlab在物理教学中的应用摘要随着科学技术的发展，计算机技术在物理教学中的应用越来越广泛。
MATLAB是一个易于使用的编程语言，可以帮助教师进行实验和模拟各种物理系统或过程。
它具有高效、可靠、易用以及大量的函数库和工具箱，可以大大减少开发时间。
本文主要介绍Matlab在物理教学中的应用，从Matlab的特性出发，介绍Matlab 的优点，以及它在物理教学中的应用。
关键词：MATLAB；物理教学；应用1．引言随着科学技术的发展，计算机技术已经成为科技教育的重要组成部分。
计算机技术的引入大大推动了教学模式的改变，并且可以有效地支持物理教学。
MATLAB 是一种易于使用的编程语言，具有高效、可靠、易用以及大量函数库和工具箱，可以帮助教师进行实验和模拟各种物理系统或过程，以有效地支持物理教学。
Matlab在力学方面有着广泛的应用。
力学是物理学中的基础学科，涉及物体运动和力学原理。
Matlab可以用来模拟物体的运动轨迹，计算物体的动能和动量等。
例如，可以用Matlab模拟小球在重力场中的运动轨迹，并计算小球的动能和动量变化。
这对于学生理解物体运动和力学原理非常有帮助。
Matlab在电学方面也有着广泛的应用。
电学是物理学中的重要学科，涉及电路、电动势和电磁学等。
Matlab可以用来计算电路的电流、电动势等，并可以画出电路图。
例如，可以用Matlab模拟简单的电路，并计算电路中各元器件的电流和电动势。
这对于学生理解电学原理非常有帮助。
Matlab在热学方面也有着广泛的应用。
热学是物理学的重要学科，涉及热力学、热传导、热扩散等。
Matlab可以用来模拟热学中的各种现象，并可以画出热学中的温度分布图。
例如，可以用Matlab模拟物体热传导的过程，并画出物体的温度分布图，这对于学生理解热学原理非常有帮助。
2．Matlab的特性MATLAB是一种用于科学计算和开发应用程序的高级编程语言，具有多种优势和特性。
其中最重要的特性是，它可以使用类似于C语言的语法，支持多种编程风格，可以轻松地实现各种复杂的算法；另外，它还提供了大量的内置函数库，可以快速实现各种复杂的数学计算；此外，它还具有面向对象的编程特性，可以有效地管理和处理大量的数据；此外，它还提供了各种数据可视化工具，可以有效地分析和可视化数据。
MATLAB在大学物理课程教学中的应用-以多普勒效应为例
MATLAB在大学物理课程教学中的应用-以多普勒效应为例摘要：运用MATLAB仿真大学物理实验，能够帮助学生更好的对物理概念和规律进行理解和掌握，同时有效提升学生运用科学计算的能力，极大的提高物理教学的效果。
本文以多普勒效应相关内容为例，进行MATLAB仿真模拟分析。
关键词：多普勒效应 MATLAB 仿真分析在计算机仿真日益盛行的今天，作为一种重要的科学工具，计算机已经广泛渗透到人们生活的方方面面。
随着计算机仿真技术的发展，利用仿真虚拟技术展示客观物理现象，在各行各业均得到了广泛应用，逐渐成为社会发展进步不可或缺的手段。
在高校物理教学领域里，信息技术与教学相结合所带来的教育信息化已经成为当前高校物理教育改革的热门研究课题和教育发展的必然趋势。
一方面，利用计算机仿真技术优势，将枯燥难懂的物理问题变成一幅幅生动的画面，增强了教学内容的直观性，生动性，扩展了教学内容，开拓了学生视野，促进了学生对知识的理解和掌握。
另一方面，利用MATLAB仿真大学物理实验可以大大激发学生对物理知识的好奇心和求知欲，强化了学生继续探索的动机，激发了学生的创新意识，同时也极大地提高大学物理课程教学效果。
另外，用 MATLAB 制作的软件有极其丰富的表现内涵和巨大的表现能力，能够具体形象地再现各种实验概念，有效地揭示事物的本质和内在联系，将它应用于课堂教学，极大地扩展教学空间，化繁为简，变难为易，使学生对教学内容更容易理解和掌握。
本文就以物理课程中的多普勒效应为例进行仿真模拟分析，研究接收者接收到的频率变化规律。
我们知道，当一辆汽车在我们的身旁疾驰而过的时候，车上喇叭的音调呈现出从高到低的突然变化过程。
同样的，当我们在铁路旁听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较静止时高，而列车迅速离去时则音调较静止时低。
这种由于波源和接收者相对运动而出现接收者接收频率变化的现象，称之为多普勒效应。
多普勒效应最早由奥地利物理学家多普勒在1842年首先发现。
Matlab技术在物理建模和数值计算中的应用
Matlab技术在物理建模和数值计算中的应用近年来，Matlab成为了物理学研究和数值计算的重要工具。
其强大的数据处理和可视化能力以及灵活的编程语言，为物理建模和数值计算提供了极大的便利。
本文将探讨Matlab技术在物理建模和数值计算中的应用，并展示其在不同领域中的实际案例。
一、物理建模物理建模是物理学研究的关键步骤，它通过建立数学模型来描述和解释自然现象。
Matlab作为一种高效的数学计算工具，可以帮助研究人员快速地进行物理建模，并对模型进行分析和优化。
例如，在光学领域，研究人员经常使用Matlab来建立光传输模型。
他们可以基于光的传输方程和介质的光学性质，编写Matlab程序来计算和可视化光在不同介质中的传播路径和强度分布。
这种建模和仿真的方法可以帮助研究人员理解光的传输机制，并为光学器件设计提供指导。
在力学领域，物理建模可以用于模拟和分析复杂的物体运动。
例如，研究人员可以使用Matlab的刚体运动模型来研究机器人的动力学特性。
他们可以通过在Matlab中定义机器人的几何结构和关节运动，以及描述力和力矩的方程，来模拟机器人在不同任务下的运动轨迹和力学响应。
这种建模方法可以为机器人控制算法的开发和优化提供测试平台。
二、数值计算数值计算是物理学研究中的重要工具，它通过数值方法对物理问题进行近似求解。
Matlab提供了丰富的数值计算库和函数，使得研究人员能够高效地进行数值计算和分析。
在量子力学领域，研究人员常常使用Matlab进行量子系统的数值模拟和求解。
他们可以编写Matlab程序来求解薛定谔方程，从而获得量子系统的波函数和能谱。
这种数值求解的方法在研究纳米尺度物理系统以及量子信息领域具有重要的应用价值。
在流体力学领域，数值计算在流体流动的模拟和分析中起到关键作用。
研究人员可以使用Matlab的流体力学工具箱来建立流体模型，并通过数值方法求解雷诺方程等流体动力学方程。
这种基于Matlab的数值模拟方法可以帮助研究人员研究流体流动的行为、优化流体系统的设计，并解决与流体力学相关的实际问题。
MATLAB在高中物理学习中的应用
教育研究课程教育研究110学法教法研究1.MATLAB 在力学分析中的应用如图1，质量为m 的小球，从静止开始沿半径为R 的1/4圆弧光滑无摩擦轨道MN 滑下，重力的瞬时功率如何变化？图1 小球下降过程示意图1.1 建模小球下降过程中的瞬时功率：（θ为F 和v 的夹角），通过受力分析，最后可解得重力瞬时功率的表达式为：（1）通过式（1），学生的一般分析是：重力在圆弧轨道上的分离逐渐减小，但小球下滑的速度会逐渐加大，但两者乘积的结果如何难以判断。
通过复杂数学计算可以得出P 的极值，进而可推断出瞬时功率先增大后减小。
但功率随角度θ具体变化的情况学生根据已有知识却无法很快做出判断。
1.2 程序及结果运行结果如图2所示，从图中很容易看出随着角度变化，瞬时功率先增加后减小，在35度左右发生转折。
图2 功率随角度变化曲线2.MATLAB 在电学分析中的应用如图3所示，倾角为30度的直角三角形底边长2l ，且处于水平位置，斜面为光滑绝缘导轨，现在底边中点O 处固定一正电荷Q，让一质量为m 的带负电的点电荷q 从斜面顶端A 处释放沿斜面滑下（不脱离斜面）。
现测得它滑到B 点在斜边上的垂足D 处的速度为v ，问质点的运动过程如何？图3 电荷受力分析图2.1 建模我们可以分析得：点电荷q 在斜面上任一点处受力情况，β，则两电荷间的距离r 可用：（2））其中，β在20度到150度之间。
，所以加速度的变化主要随的变化而变化。
2.2程序及结果为了绘图方便，这里设，β在20度到150度之间变化，A 对角度变化的曲线如图4所示，能很直观的看出，加速度先增加再减小。
图4 质点加速度曲线3.MATLAB 在电学实验中的应用MATLAB/Simulink 仿真实验模拟真实实验环境，让学生在虚拟的实验环境中进行实验，能便捷地熟悉物理实验并学习物理知识。
下面通过MATLAB/Simulink 建模仿真对伏安法测电阻实验进行分析。
3.1 建模根据欧姆定律，在同一电路中，通过某一导体R 的电流I U 成正比，即：4）（4）进行变形，可以导出测量电阻的公式为：5）建模用MATLAB/Simulink 中的Sim-powerSystems 的电力系统模型库，选取相应的电阻、直流电源、电压表、电流表及示波器等基本功能模块，模块按照图5建立仿真模型，设置电压值为24V ，电阻为48欧姆，然后进行仿真。
Matlab在物理教学中的应用
%绘 制 F1 和 F2 axis([0 20 0 20]); text(M1,N1,'F1');
%标 注力的名称 text(M2,N2,'F2'); hold on; y1=0:N1/100:N1;
x2=0:M2/100:M2;
Yf2=N2;
plot(x1,Yf1,'k:',x2,Yf2,'k:');
text(0,Yf1,'Yf1');
%标注 Y 上的分力名称
text(0,Yf2,'Yf2');
hold on;
Xh=M1+M2;
%求合力
Yh=N1+N2;
Fh=sqrt(Xh.^2+Yh.^2)
The application Matlab in physics teaching
An YuYu (College of Physics and Information Science,Tianshui Normal University, Tianshui
Gansu 741001) Abstract：With a brief introduction of matlab by concrete examples of matlab in physics teaching on the specific applications. software will be introduced in physics teaching and learning, the contents more image, to simplify the theory and application of reasoning, is computer aid physics teaching produced a better way. Key words: Matlab；Physics teaching ; Application
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学号：本科学年论文
学院
专业
年级
姓名
论文题目
指导教师职称
成绩
年月日
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
1 引言 (1)
2 MATLAB功能介绍 (2)
3 MATLAB在光学中的应用 (2)
3.1单缝衍射及弗朗和费衍射 (2)
4 MATLAB在电磁学中的应用 (3)
4.1用MATLAB描绘电场线 (3)
5MATLAB在热物理学中的应用 (3)
5.1MATLAB在麦克斯韦速率分布中的应用 (3)
6 结束语 (4)
参考文献 (5)
MATLAB在物理学中的应用
摘要：用MATLAB分析物理学，能使复杂的问题大大简化，对阐述相关原理能起到很大的作用。
本文阐述了基于MATLAB的数值计算、可视化图形处理、开放式以及可扩充体系结构的特点,并介绍了高性能语言MATLAB 在大学物理学中的一些应用，包括在热物理学，量子力学、电磁学以及光学中的应用。
关键词：MATLAB；热物理学；电磁学；光学
Application of MATLAB in Physics Abstract：Analysis of physics with MATLAB can make the complex problem greatly simplified, which principle play an important part in physics. This paper is based on the MATLAB numerical calculation, visualization graphics processing, which open and extensible architecture, and introduces some application of high performance MATLAB language in university physics, which including the thermal physics, quantum mechanics, electromagnetism and optics.
Key words：MATLAB; thermal physics; electromagnetism; optical
1引言
在物理实验中,实验数据的处理方法至关重要,而数据处理手段制约着处理方法的应用。
在手工处理数据的条件下,通常只能使用列表法、作图法、逐差法等,不仅效率低,容易引入习惯误差,且主要只对线性关系有效;运用计算机高级语言编程或Excel等软件工具,可以分析非线性问题,但由于编程复杂或操作不便等原因,难于在教学中推广; MATLAB提供了大量的科学计算函数,用来处理曲线拟合、数据插值、傅里叶变换等问题非常便捷[1]。
下面我们从一些典型的实例出发, 介绍 MATLAB 在物理学方面的具体应用。
2 MATLAB功能介绍
MATLAB是美国MATHWORKS公司开发的一套高性能的数值计算和可视化软件。
它是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，其应用范围涵盖了当今几乎所有的工业
应用与科学研究领域，集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体[2]。
其丰富的库函数和各种专用工具箱，将使用者从繁琐的底层编程中解放出来。
此外MATLAB 更强大的功能还表现在其有大量的工具箱(Toolbox)，如：控制系统、数值模拟、信号处理及偏微分方程等工具箱。
因此MATLAB 已成为大学教育和科学研究中必不可少的工具。
MATLAB 具有丰富的计算功能和科学计算数据的可视化能力，特别是应用偏微分方程工具箱在大学物理电磁学等各类物理场的数值仿真中具有无比的优势[3]。
MATLAB 提供了一个功能强大使用灵活的二维有限元偏微分方程求解环境，其图形用户界面更是使用十分方便、直观一般来说，MATLAB 包括3个步骤：
（1） 定义一个PDE 问题，它包括确定二维求解区域、边界条件和PDE 系数。
MATLAB 能够求解的PDE 型式有：椭圆型、抛物线型、双曲线型、特征值型。
当使用GUI 时，可以在画图模式下确定求解区域；在边界模式下选择方程形式和设置方程系数。
（2） 数值求解，它包括剖分、离散方程和得到一个数值解。
在GUI 中，在剖分模式下形成满意的网格；在求解模式下通过选择数值计算方法求解。
（3） 图形化显示结果。
通常用于表现有限元计算结果的图形有：变形网格图、云图、等值线图、矢量图、网格图、表面图、流线图等。
3 MATLAB 功能介绍
3.1 单缝衍射及夫琅和费衍射
衍射问题是光学中最困难的课题之一,严格的衍射理论是比较复杂的,不过,大多数实际问题都可以用近似方法来处理。
对于单缝衍射,相关教科书都给出了远场条件下夫琅和费衍射光强分布的数学描述,而要模拟夫琅和费衍射的形成条件,则必须从更一般情况来分析问题。
将宽度为a 的缝光源视作n 个等间隔的点光源组成,接收屏上某点p 的光强即为这n 个点光源相干叠加的结果。
设各点光源在p 点光强相同,只是相位不同,则根据惠更斯-菲涅耳原理[5],屏上p 点的归一化光强可表示为:
()()2
221122{cos sin
}/n
n P i i i i I L z L z n ππλλ===-+-∑∑
式中Li 为第i 个点光源到p 点的光程，z 为单缝到接收屏的距离。
4 MATLAB 在电磁学中的应用
4.1 用MATLAB 描绘电场线
首先建立电场线的微分方程（二维情况） 因为电场中任一点的电场方向都沿该点电场线的切线方向，所以满足：
dy Ey dx Ex
= 引入参变量t 得到： dx dy Ex Ey ==dt 设点电荷位于（2，0）和（0，-2），2点电荷“电量”为 q1 和 q2 （均等于 10） 由库伦定律和电场的叠加原理[6]，得出下列微分方程： ()()()().
1.5 1.52222122222q x q x dx x Ex dt x y x y +-===+⎡⎤⎡⎤++-+⎣⎦⎣⎦ ()()()(). 1.5 1.52222122222q x q x dy y Ey dt x y x y +-===+⎡⎤⎡⎤++-+⎣⎦⎣⎦
代入MATLAB 解此方程,即可绘制出电场线[4]。
同样用此方法也可以绘制出带电粒子在电场中的运动。
5 MATLAB 在热物理学中的应用
5.1MATLAB 在麦克斯韦速率分布中的应用
气体动力学理论中麦克斯韦速率分布律公式比较复杂抽象，数学推导证明比较繁琐[。
如果借助MATLAB 就可以比较方便地解决这些问题。
首先, 推导三种速率和归一化条件。
已知分布函数表达式为[7]：
KT mV v e v kT
m f 2223)()2(4-=ππ （1） 最大概然速率分布可由下式求出：
0)(=dv df v （2）
平均速率的定义是：
dv vf v o v ⎰∞=
)( （3）
方均根速率为：
21)(02)(2
dv f v v rms v v ⎰∞== （4） 归一化条件是： dv vf v ⎰∞
0)( （5）
后三项求解比较复杂,其中用到Gamma 函数,传统方法是查数学用表得到结果。
如果应用 MATLAB 的符号计算功能, 只需要简单几行语句就可以解决这些问题。
用到相关函数有：符号变量创建函数 syms ，求微分函数diff ， 求积分函数 int ，符号化简函数 simple ，字符串转化函数 eval 。
6 结束语
基于MATLAB 计算机物理模拟方法实现的物理图像和物理过程，教学意图明确，操作简单，人机交互性强，交互参数调节方便，响应速度快，具有很高的容错能力。
在物理实验教学中，以MATLAB 为实验演示平台，对物理实验现象进行模拟，作为演示配合物理理论的讲授，能使学生加深对物理现象和规律的理解，提高教学效率。
MATLAB 绘图和动画功能，能将计算结果或外部文件数据以二维、三维图形呈现，而且提供了方便的图形导出功能，其图形可以jPg 、tif 等多种格式导出，在物理实验教学中开发利用，可作为物理实验CAI 课件的素材图。
在物理实验教学过程中，教师可利用MATLAB 绘图和动画功能，选择其中合适的部分用在自己的讲解和演示文稿及多媒体课件中，以便说明讲解的结构，形象地演示物理教学中某些难以理解的内容；或用模拟的图表、动画等展示动态的变化过程和理论模型等，帮助学生了解和理解所学的知识。
形象而生动，非常便于学生接受。
在信息技术、计算机辅助教学迅速发展的时代，上述工作显示了比较大的发展空间和潜力，已经广泛地引起了学生的各方面兴趣，正在成为学生自我学习的平台，已显示出在提高学生素质、提高学生学习质量以及在教学方法和教学内容改革等方面所具有的优势。