MATLAB軟件在中學(xué)物理運動學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

☆魏青

（北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校附屬實驗學(xué)校，北京 100097）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用日益廣泛。以計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)等為主的信息技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于物理教育領(lǐng)域中，例如：多媒體課件[1]、數(shù)字化實驗系統(tǒng)[2]、傳感器技術(shù)[3]等等被應(yīng)用于現(xiàn)代物理課堂中。MATLAB軟件為國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)軟件，已成為科學(xué)研究、工程領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的科學(xué)計算環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)仿真平臺，具有程序編寫簡單、繪圖方便等獨特的優(yōu)勢。在物理學(xué)研究領(lǐng)域中，MATLAB軟件在數(shù)值計算與處理、圖形動畫可視化、信號處理等各個方面有著廣泛的應(yīng)用，例如：單擺測量重力加速度的實驗數(shù)據(jù)的處理[4]、楊氏雙縫干涉實驗的可視化仿真[5]等等。在中學(xué)物理教學(xué)中，也可以采用MATLAB軟件來分析和模擬物理過程，將抽象的物理概念、現(xiàn)象和規(guī)律顯性化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[6－8]。另一方面，在物理教學(xué)過程中，教師有意識地利用信息技術(shù)來向?qū)W生展現(xiàn)物理現(xiàn)象和規(guī)律，也有利于培養(yǎng)學(xué)生運用現(xiàn)代技術(shù)解決問題的意識。本文就以在高中物理運動學(xué)教學(xué)中引入MATLAB軟件來分析、模擬運動規(guī)律為例，展現(xiàn)將MATLAB軟件引入中學(xué)物理教學(xué)中的作用。

高中物理運動學(xué)中涉及到的運動規(guī)律一般為理想狀態(tài)下的運動過程，學(xué)生不容易直觀認(rèn)識。另外，高中物理運動學(xué)部分注重培養(yǎng)學(xué)生利用圖像法來處理物理問題的能力。所以，在中學(xué)物理運動學(xué)部分的教學(xué)中，利用MATLAB軟件來分析、模擬運動規(guī)律，將其通過圖像、動畫來直觀展現(xiàn)，有助于提高學(xué)生認(rèn)識、理解較為抽象的物理運動規(guī)律，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

一、利用MATLAB軟件模擬直線運動圖像

如圖1所示，高中物理中的直線運動包括勻速直線運動，勻變速直線運動。其中，具有兩個特例：自由落體運動和豎直上拋運動。認(rèn)識、對比和理解直線運動的v－t圖像和x－t圖像對于學(xué)生利用圖像分析運動規(guī)律有著重要的意義。

圖1 高中物理直線運動曲線圖

圖1(a)和(b)中分別為勻速直線運動、勻加速直線運動、勻減速直線運動、自由落體運動和豎直上拋運動的速度時間關(guān)系曲線，以及位移時間關(guān)系曲線，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生分析圖像，體會加速度的不同造成的直線運動規(guī)律的異同，加深對物理運動規(guī)律的理解和認(rèn)識。

具體程序如下所示：

二、利用MATLAB軟件模擬直線運動軌跡

高中物理中涉及到的勻速直線運動、勻變速直線運動、自由落體運動和豎直上拋運動等等的運動軌跡都可以利用MATLAB軟件來進(jìn)行動畫模擬。在高中物理教學(xué)中引入運動軌跡的動畫模擬并引導(dǎo)學(xué)生加以分析，可以使課堂教學(xué)更加形象化，有助于學(xué)生理解運動規(guī)律。以豎直上拋運動為例，利用MATLAB軟件中的for循環(huán)命令編寫程序來模擬豎直上拋運動的運動軌跡，如圖2所示為豎直上拋運動軌跡的動畫模擬截圖。

圖2 豎直上拋運動的動畫模擬截圖

豎直上拋運動運動軌跡動畫模擬的具體程序如下所示：

三、利用MATLAB軟件模擬合運動軌跡動畫

高中物理中對于涉及到的較復(fù)雜的運動學(xué)規(guī)律，都是以等效成同時參與的簡單運動來分析的。例如：曲線運動中的平拋運動，可以將其看成水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動；兩個勻速直線運動的合成仍然是勻速直線運動；勻速直線運動與勻變速直線運動的合運動為勻變速運動；兩個勻變速直線運動的合運動是勻變速運動等等。學(xué)生在學(xué)習(xí)運動的合成與分解時，需要抽象思維的能力，學(xué)習(xí)中會遇到一定的困難。MATLAB軟件可以分析、模擬拋體運動以及合運動問題，將抽象的物理規(guī)律顯性化表現(xiàn)，加深學(xué)生對運動的合成與分解問題的理解。

以一個簡單例子為例，如水平方向和豎直方向都為勻加速直線運動，其合運動一定是勻加速直線運動嗎？可能是勻加速曲線運動嗎？對于這樣的問題，有些學(xué)生會產(chǎn)生疑惑。那么，借助于MATLAB軟件中的comet動畫命令可以很直觀地向?qū)W生展現(xiàn)其合運動的動畫軌跡，兩個垂直的勻加速直線運動的合成可能為勻加速直線運動，也可能為勻加速曲線運動。

如圖3所示，通過MATLAB軟件動畫模擬，分運動分別為豎直方向和水平方向各做勻加速直線運動時，當(dāng)其合速度方向與合加速度方向一致時，其合運動為勻變速直線運動；當(dāng)其合速度方向與合加速度方向不一致時，其合運動為勻變速曲線運動。

圖3 合運動軌跡

具體程序如下所示：

總之，專業(yè)軟件應(yīng)用于高中物理教學(xué)中，有利于演示、分析、模擬物理規(guī)律，有助于學(xué)生更直觀地認(rèn)識和理解物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是提高中學(xué)物理課堂教學(xué)效率的一個有效方法。

[1]孫方.多媒體課件的信息加工策略研究[J].中國電化教育,2012,（3）:81.

[2]陳國平.數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DIS）在物理演示實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電化教育,2012,(2):96.

[3]湯躍明,謝紫娟,張文杰.傳感器技術(shù)在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電化教育,2006,(11):53.

[4]姚琴芬.MATLAB語言在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗,2011,24(6):52.

[5]師青梅,常宇.MATLAB仿真技術(shù)在大學(xué)物理光學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育,2012,(5):78.

[6]孟憲松,陳景太.MATLAB軟件在中學(xué)物理中應(yīng)用舉例[J].中學(xué)物理,2012，30(6):40.

[7]盧本全.MATLAB在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].硅谷,2010,(17).

[8]孟憲松.利用MATLAB分析滑動變阻器的選擇[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2011,40(3)：40.