MATLAB軟件在中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)學(xué)校，北京 100097）

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用日益廣泛。以計(jì)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(jì)算環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)仿真平臺(tái)，具有程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單、繪圖方便等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在物理學(xué)研究領(lǐng)域中，MATLAB軟件在數(shù)值計(jì)算與處理、圖形動(dòng)畫(huà)可視化、信號(hào)處理等各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用，例如：?jiǎn)螖[測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理[4]、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)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(lái)分析和模擬物理過(guò)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(guò)程中，教師有意識(shí)地利用信息技術(shù)來(lái)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(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)解決問(wèn)題的意識(shí)。本文就以在高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中引入MATLAB軟件來(lái)分析、模擬運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)中涉及到的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一般為理想狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，學(xué)生不容易直觀認(rèn)識(shí)。另外，高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)部分注重培養(yǎng)學(xué)生利用圖像法來(lái)處理物理問(wèn)題的能力。所以，在中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)學(xué)部分的教學(xué)中，利用MATLAB軟件來(lái)分析、模擬運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將其通過(guò)圖像、動(dòng)畫(huà)來(lái)直觀展現(xiàn)，有助于提高學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解較為抽象的物理運(yùn)動(dòng)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)圖像

如圖1所示，高中物理中的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)包括勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。其中，具有兩個(gè)特例：自由落體運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)。認(rèn)識(shí)、對(duì)比和理解直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的v－t圖像和x－t圖像對(duì)于學(xué)生利用圖像分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律有著重要的意義。

圖1 高中物理直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)圖

圖1(a)和(b)中分別為勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)的速度時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，以及位移時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)，在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生分析圖像，體會(huì)加速度的不同造成的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的異同，加深對(duì)物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解和認(rèn)識(shí)。

具體程序如下所示：

二、利用MATLAB軟件模擬直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡

高中物理中涉及到的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)等等的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以利用MATLAB軟件來(lái)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬。在高中物理教學(xué)中引入運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)畫(huà)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。以豎直上拋運(yùn)動(dòng)為例，利用MATLAB軟件中的for循環(huán)命令編寫(xiě)程序來(lái)模擬豎直上拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示為豎直上拋運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)畫(huà)模擬截圖。

圖2 豎直上拋運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)模擬截圖

豎直上拋運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫(huà)模擬的具體程序如下所示：

三、利用MATLAB軟件模擬合運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫(huà)

高中物理中對(duì)于涉及到的較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，都是以等效成同時(shí)參與的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)來(lái)分析的。例如：曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的平拋運(yùn)動(dòng)，可以將其看成水平方向的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成仍然是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)為勻變速運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)等等。學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)的合成與分解時(shí)，需要抽象思維的能力，學(xué)習(xí)中會(huì)遇到一定的困難。MATLAB軟件可以分析、模擬拋體運(yùn)動(dòng)以及合運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，將抽象的物理規(guī)律顯性化表現(xiàn)，加深學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成與分解問(wèn)題的理解。

以一個(gè)簡(jiǎn)單例子為例，如水平方向和豎直方向都為勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其合運(yùn)動(dòng)一定是勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)嗎？可能是勻加速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)嗎？對(duì)于這樣的問(wèn)題，有些學(xué)生會(huì)產(chǎn)生疑惑。那么，借助于MATLAB軟件中的comet動(dòng)畫(huà)命令可以很直觀地向?qū)W生展現(xiàn)其合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)軌跡，兩個(gè)垂直的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成可能為勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可能為勻加速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示，通過(guò)MATLAB軟件動(dòng)畫(huà)模擬，分運(yùn)動(dòng)分別為豎直方向和水平方向各做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)其合速度方向與合加速度方向一致時(shí)，其合運(yùn)動(dòng)為勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)其合速度方向與合加速度方向不一致時(shí)，其合運(yùn)動(dòng)為勻變速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 合運(yùn)動(dòng)軌跡

具體程序如下所示：

總之，專(zhuān)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(shí)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(gè)有效方法。

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