Matlab辅助物理实验教学的研究

2022-09-11

Matlab是目前广泛应用于数值计算、数据处理、图像分析的软件, 具有强大的数据处理与图形显示功能。将Matlab引入物理实验教学, 使学生能直观地领会和理解课程的内容, 并能够实时处理实验结果, 从而使枯燥的教学内容生动形象, 不仅能增强学生对实验的探索兴趣, 而且能培养学生的自主学习能力和创新能力。

1 利用Matlab进行物理实验数据处理

用Matlab进行物理实验的数据处理, 特别是用最小二乘法进行曲线拟合十分方便。例如, 在测量电阻的实验中, 设给某元件加电压[1, 2, 3, 4, 5]伏, 测得的电流分别为[0.2339, 0.3812, 0.5759, 0.8153, 0.9742]毫安。利用Matlab的绘图功能得到电压-电流曲线如图1所示, 其中“×”是实验数据点, 实线是二次拟合曲线, 虚线是通过原点的线性拟合曲线;并且, 可以计算该元件的的电阻值5222.8欧姆。

通常情况下, 学生采集数据后在坐标纸上作图, 人为改变绘图比例, 主观随意性大, 不仅造成误差较大, 而且烦琐的描点作图使学生厌烦, 这样既不利于培养学生科学实验态度, 又不利于养成良好的学习作风。若用Matlab进行数据处理, 只需将采集到的数据输入计算机, 便可直观地画出实验数据点和拟合的曲线。

2 利用MATLAB进行实验现象的演示

由于实验仪器设备原因, 在调试过程中, 学生很难调试到实验要求的理想状态, 实验效果往往不够理想, 学生难于想象。若以Matlab为实验演示平台, 对实验现象模拟, 就能够很好地解决这个问题。以牛顿环实验为例, 利用Matlab可以显示实验现象如图2所示, 这样, 学生对该实验应该得到的效果有了一个清晰的认识。

Matlab软件具有强大的仿真功能, 将其与物理实验教学有机地结合起来, 可以给学生直观地演示实验现象, 另外, 学生还可以利用Matlab模块库中的元器件自主设计实验, 通过搭建模型, 修改实验参数, 控制实验过程, 观察实验现象。这样, 不仅增加了实验的灵活性, 增强了学习的主动性, 更好地激发学生的思维能力, 并且也减少了实验器材的损耗, 无实验危险发生。

3 利用Matlab进行物理实验的图像处理

在物理实验中, 图像处理是比较难的问题之一。而利用Matlab强大的图像处理工具箱, 可以轻易解决这一问题。比如可以利用图像处理函数对采集的图像进行比对分析。另外, 将图像可视化比单纯的数据更具有可读性, 所包含的信息量也大, 使用图像来呈现实验结果更能够增加说服力, 利用Matlab的二维、三维图像显示功能可以方便实现图像可视化。