Matlab在物理学中的应用_何钰

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1、第32卷第12期大学物理Vol．32No．122013年12月COLLEGEPHYSICSDec．2013Matlab在物理学中的应用何钰，吴平，张晓，谢宁，冯菊(西南交通大学物理科学与技术学院，四川成都610031)摘要:在大学物理教学中引入计算机数值模拟，有利于学生分析、理解物理问题，更重要的是可以培养学生用计算机进行学习和研究问题的能力．依据理工科一、二年级学生的特点，将数值模拟的切入点设置在Matlab在物理学中的应用，可以减轻学生的编程负担，使得学生更加注重研究物理现象本身，从而准确地构建物理模型．开设实践课程“Matlab程序设计及物理应用”，就是为了实现这个目

2、的的．本文对该课程的教学内容、教学方式的改革进行了探索．关键词:数值模拟;Matlab;教学改革中图分类号:O411．3文献标识码:A文章编号:1000-0712(2013)12-0039-04大学物理教学现代化不仅仅是教学方法、手段、2如何将Matlab与物理学结合起来内容的改革，还应引入科学研究的新方法．计算机数值模拟的研究方法同实验研究、理论分析一样应该我们开设了一门实践课程“Matlab程序设计及［1］是理工科学生的必备素质．在大学物理教学的各物理应用”，主要面向我校物理科学与技术学院的一个环节中适当引入计算机数值方法，不仅可以将一年级学生．课程在大学一年级结束的暑

3、假进行，总学些高深的物理概念深入浅出、形象生动地讲清楚，更时40(共30机时)，大概一周时间．教学本身是一个重要的是可以培养学生用计算机进行学习和研究问不断探索、不断创新、不断完善和提高的过程．为了题的能力．改变过去以教师为中心、以课堂讲授为主、以知识传授为主的传统教学模式，我们对教学内容、教学方1为什么将Matlab与物理学结合起来式、评分体系等进行了较大的改革．“用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实2．1优化教学内容验来检验模型”，这是物理学的特点．所以物理学能我们结合培养计划和课程设置以及学生的计算够为计算机数值模拟提供丰富的素材，有利于学生机掌握情况，结合学生已

4、学习了高等数学、线性代构建模型．数、大学物理、C++程序设计以及学生的后续专业考虑到我国理工科院校通常是在大学一、二年学习，优化了教学内容．级开设大学物理课程，结合学生的实际情况，我们选减少语言、数组构建、数据可视化等基础知识的择了Matlab作为学生实现数值模拟的软件．这是因学习，让学生在实践中主动地学习这些基础知识，在为:Matlab语法规则简单，编程特点贴近学生的思维“做”中掌握编程的技能．这也是利用实践教学来学方式和书写习惯，这使得学生容易上手，在技术上为习某种(如Matlab、Mathematica等)语言及程序设计计算机数值模拟的广泛应用扫清了障碍;Matlab

5、提的显著优点，较课堂教学更为有效．供了强大的工具箱，这保证了学生在以后的各专业选择建立模型的物理问题，设计为3个层次．实领域学习、科学研究可以继续使用．在美国等发达国现从简单到复杂，从唯一解到多解，从线性到非线家的理工类大学里，Matlab软件是大学生必须掌握性．在设计中注意，实现结果的可视化决不是目的，的基本工具．ＲensselaerPolytechnicInstitute，Brigham关键是要引导学生利用计算机数值模拟搭建自己的YoungUniversity，UniversityOfOxford等的Depart-物理实验平台，从而深入研究物理过程和实质．mentofP

6、hysics在大学的一、二年级开设了Physics基本层次的教学内容是将物理学中已有解析解withMatlab等课程．的问题设计为实习任务，让学生实现结果的可视化．收稿日期:2013－03－30;修回日期:2013－04－25基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金青年教师百人计划项目(SWJTU11BＲ083)资助作者简介:何钰(1975—)，女，四川成都人，西南交通大学讲师，硕士，主要从事大学物理教学和光学、宇宙学方面的研究工作．40大学物理第32卷在这种过程中，加强了学生的“做”，减少了教师的“说”，让学生通过实际应用来掌握Matlab的基础知识．学生在这过程中，由于

7、实践的是自己已熟悉的问题，实践中发现数值模拟比解析法实现得更快捷直观，“看”到的结果是图形，而非公式，这极大激发了学生的兴趣．例如:光栅的夫琅和费衍射图样(图1)，双原子分子的结构，分子的麦克斯韦速率分布曲线(图2是学生设定了不同温度给出的结果)，黑体辐射的实验规律，维恩公式、瑞利－金斯公式等．图1所示就是学生所做的光栅的夫琅和费衍射的光强公式的可视化结果和分析．由于利用了Matlab强大的可视化功能，模拟实验的过程更直观，结果更清图2分子的麦克斯韦速率分布曲线晰．特别在模拟实验过程中，光栅常数、缝数、工作波长的设