交互式實驗演示軟件在中學物理教學中的應用

陳榮環 常曉慧

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

交互式實驗演示軟件在中學物理教學中的應用

陳榮環 常曉慧

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

運用MATLAB的GUIDE功能制作交互式實驗演示軟件，可使部分物理實驗不受實驗條件的限制，并將抽象的物理概念和復雜的物理規律形象直觀地呈現給學生，進而為學生學好物理知識和培養物理思維奠定基礎.

MATLAB；交互式；中學物理實驗

隨著現代信息技術的快速發展，計算機技術在人們生活中的應用日益廣泛.以計算機技術、網絡技術、通信技術等為主的信息技術也被廣泛應用于物理教育領域中，例如：多媒體課件、數字化實驗系統、傳感器技術等被應用于物理課堂教學中，計算機輔助教學已經成為中學物理教師必須進行學習和研究的重要課題.

MATLAB軟件在模擬仿真、數值計算、繪制物理規律圖線和實驗數據處理等方面都具備獨特優勢，并且簡單易學.利用MATLAB的用戶圖形界面開發程序GUIDE，可制作交互式物理實驗演示軟件，該軟件分為兩部分：一部分為用戶圖形操作界面，在界面上用戶可以根據實驗的需要建立顯示窗口、按鈕等各種控件；另一部分為與用戶圖形操作界面相匹配的程序文件，圖形用戶操作界面上的控件所對應的程序就被編輯并存儲在這個文件中.用戶通過圖形操作界面上的控件運行已經存儲的程序，計算機通過模擬仿真及繪制圖線，將復雜、抽象的物理過程，直觀地展現在學生面前，使學生對抽象的物理概念理解得更加清晰，從而提高學生的認知和理解能力，達到提高課堂教學效果的目的.

1 有助于學生理解抽象的物理概念

在人教版九年級物理教材“分子熱運動”中有如下表述：擴散現象等大量事實表明，一切物質的分子都在不停地做無規則運動.溫度越高，分子運動越劇烈.

由于分子的運動跟溫度有關，所以這種無規則的運動叫做分子的熱運動.

分子是微觀粒子，是用肉眼無法直接看到的.學生只靠教材上的描述或是課堂上老師語言的描述，很難在腦海中想象出這些微觀粒子的運動形式.利用MATLAB的GUIDE功能可實現分子熱運動的動態演示，讓學生看到分子位置的實時變化，有助于學生直觀感受分子的無規則運動.

分子熱運動演示軟件的部分程序如下：

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

n=100;

s=0.03;

x=rand(n,1)-0.3;

y=rand(n,1)-0.3;

h=plot(x,y,'.');

axis([0,1,0,1]);

axis square

grid off

set(h,'EraseMode','Xor','MarkerSize',20);

for i=linspace(1,10,10000)

drawrow

x=x+s*rand(n,1);

y=y+s*rand(n,1);

set(h,'XData',x,'YData',y);

end

圖1為分子熱運動的動態演示軟件的用戶圖形操作界面，點擊界面上的“動態演示”按鈕，即可在該按鈕左側的演示窗口看到分子位置的無規則的變化.學生通過對分子位置的不確定性、運動無規律性的觀察，清楚地理解了“無規則運動”這一概念.

圖1

2 加深學生對物理規律的理解

在人教版高中物理“自由落體運動”一節中，介紹了重力加速度，并說明了重力加速度隨地球緯度的變化而變化這一規律(如表1).

表1 一些地點的重力加速度g/(m·s-2) ,標準值g=9.80665m·s-2

從表1我們可以看出：重力加速度隨著地球緯度的升高而增大.但是，學生在做練習題遇到關于重力加速度的大小與地球緯度關系的考題時往往會感到困惑.因為學生只記得教材里有一張表格，但是具體的變化規律卻記得不是很清楚.曲線圖像相對于數字表格來說，更加直觀化、形象化，便于學生理解記憶.利用交互式實驗演示軟件可以彌補學生直觀感受的不足.重力加速度隨地球緯度變化的部分程序如下：

function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

p=0:90;

x=p*pi/180;

G=6.67e-11;M=5.98e24;w=2*pi/(24*3600);m=1;

a=6.375558e6;b=6.370e6;

r=a*b*sqrt(1./(b^2*cos(x).^2+a^2*sin(x).^2));

F=G*m*M./r.^2;

F1=m*r.*cos(x).*w^2;

F2=sqrt(F.^2+F1.^2-2.*F.*F1.*cos(x));

str=plot(p,F2,'r-');

title('重力加速度隨地球緯度變化');

xlabel('緯度(.)');ylabel('重力加速度(kg/m3)')

grid on

set(handles.axes1,'String',str);

end

圖2

如圖2所示，點擊用戶操作界面的“演示按鈕”，即可在其左邊的窗口中看到重力加速度隨地球緯度變化的曲線.通過對曲線圖的觀察，學生不僅掌握了重力加速度隨地球緯度變化的趨勢，還了解到重力加速度在不同緯度變化的快慢不同.需要指出的是，在演示軟件顯示窗口，我們會發現，在地球緯度為0°時，重力加速度的值是接近于9.78m/s2，而不是等于9.78m/s2，這是因為軟件中的程序認為地球是一個接近于圓的橢圓，而其實地球不是一個標準的橢圓，因此造成了圖中的差別.但其不影響學生對重力加速度隨地球緯度變化趨勢的理解與記憶，課上老師需向學生說明這一點差別.

3 解決實驗條件不足的限制問題

學生只能通過該式，根據其他量的變化去分析相鄰的兩個亮條紋或暗條紋的中心間距的變化，并不能通過教材中靜止的圖片觀察到其變化.而MATLAB不受實驗條件的限制，利用其GUIDE功能，根據光的干涉與衍射原理，分別模擬光的干涉與衍射圖樣，并給出明暗條紋對應的光強曲線，加深學生對實驗結果的理解.

圖3為楊氏雙縫干涉實驗演示軟件的界面，學生可以通過設置雙縫間距、雙縫與接收屏之間的距離來觀察不同的干涉條紋以及明暗條紋對應的光強值，也可以通過輸入不同的波長來演示不同波長的光的干涉結果.圖4為軟件模擬同一波長的光在不同條件下的干涉結果.

圖3

圖4

如圖5所示，學生可以通過調節單縫的寬度來觀察光的衍射結果.如圖6所示，可以了解單縫的寬度與光波波長的關系對衍射結果的影響.圖7為軟件對同一束光通過不同寬度的單縫產生的衍射現象的模擬.

圖5

圖6

圖7

MATLAB在中學物理教學中的應用還有很多，通過以上的討論可以發現：適當引入交互式物理實驗演示軟件輔助教學，可以使教學形象生動，它將有助于物理概念的深化，能將抽象復雜的物理規律有序、可控、清晰、直觀地展現在學生面前，這將極大地改善課堂的教學效果.

[1] 魏青.MATLAB軟件在中學物理運動學教學中的應用[J].中小學電教,2013,(6)：77.

[2] 孟憲松，陳景太.MATLAB軟件在中學物理中應用舉例[J].中學物理,2012,(11)：40.