陳榮環(huán) 常曉慧

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

交互式實(shí)驗(yàn)演示軟件在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

陳榮環(huán) 常曉慧

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

運(yùn)用MATLAB的GUIDE功能制作交互式實(shí)驗(yàn)演示軟件，可使部分物理實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，并將抽象的物理概念和復(fù)雜的物理規(guī)律形象直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，進(jìn)而為學(xué)生學(xué)好物理知識(shí)和培養(yǎng)物理思維奠定基礎(chǔ).

MATLAB；交互式；中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

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)、通信技術(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、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等被應(yīng)用于物理課堂教學(xué)中，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已經(jīng)成為中學(xué)物理教師必須進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的重要課題.

MATLAB軟件在模擬仿真、數(shù)值計(jì)算、繪制物理規(guī)律圖線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面都具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且簡(jiǎn)單易學(xué).利用MATLAB的用戶圖形界面開發(fā)程序GUIDE，可制作交互式物理實(shí)驗(yàn)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(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的程序就被編輯并存儲(chǔ)在這個(gè)文件中.用戶通過(guò)圖形操作界面上的控件運(yùn)行已經(jīng)存儲(chǔ)的程序，計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬仿真及繪制圖線，將復(fù)雜、抽象的物理過(guò)程，直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生對(duì)抽象的物理概念理解得更加清晰，從而提高學(xué)生的認(rèn)知和理解能力，達(dá)到提高課堂教學(xué)效果的目的.

1 有助于學(xué)生理解抽象的物理概念

在人教版九年級(jí)物理教材“分子熱運(yùn)動(dòng)”中有如下表述：擴(kuò)散現(xiàn)象等大量事實(shí)表明，一切物質(zhì)的分子都在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈.

由于分子的運(yùn)動(dòng)跟溫度有關(guān)，所以這種無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)叫做分子的熱運(yùn)動(dòng).

分子是微觀粒子，是用肉眼無(wú)法直接看到的.學(xué)生只靠教材上的描述或是課堂上老師語(yǔ)言的描述，很難在腦海中想象出這些微觀粒子的運(yùn)動(dòng)形式.利用MATLAB的GUIDE功能可實(shí)現(xiàn)分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示，讓學(xué)生看到分子位置的實(shí)時(shí)變化，有助于學(xué)生直觀感受分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng).

分子熱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)演示軟件的用戶圖形操作界面，點(diǎn)擊界面上的“動(dòng)態(tài)演示”按鈕，即可在該按鈕左側(cè)的演示窗口看到分子位置的無(wú)規(guī)則的變化.學(xué)生通過(guò)對(duì)分子位置的不確定性、運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)律性的觀察，清楚地理解了“無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”這一概念.

圖1

2 加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解

在人教版高中物理“自由落體運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中，介紹了重力加速度，并說(shuō)明了重力加速度隨地球緯度的變化而變化這一規(guī)律(如表1).

表1 一些地點(diǎn)的重力加速度g/(m·s-2) ,標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生在做練習(xí)題遇到關(guān)于重力加速度的大小與地球緯度關(guān)系的考題時(shí)往往會(huì)感到困惑.因?yàn)閷W(xué)生只記得教材里有一張表格，但是具體的變化規(guī)律卻記得不是很清楚.曲線圖像相對(duì)于數(shù)字表格來(lái)說(shuō)，更加直觀化、形象化，便于學(xué)生理解記憶.利用交互式實(shí)驗(yàn)演示軟件可以彌補(bǔ)學(xué)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(diǎn)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(guò)對(duì)曲線圖的觀察，學(xué)生不僅掌握了重力加速度隨地球緯度變化的趨勢(shì)，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(huì)發(fā)現(xiàn)，在地球緯度為0°時(shí)，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?yàn)檐浖械某绦蛘J(rèn)為地球是一個(gè)接近于圓的橢圓，而其實(shí)地球不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的橢圓，因此造成了圖中的差別.但其不影響學(xué)生對(duì)重力加速度隨地球緯度變化趨勢(shì)的理解與記憶，課上老師需向?qū)W生說(shuō)明這一點(diǎn)差別.

3 解決實(shí)驗(yàn)條件不足的限制問(wèn)題

學(xué)生只能通過(guò)該式，根據(jù)其他量的變化去分析相鄰的兩個(gè)亮條紋或暗條紋的中心間距的變化，并不能通過(guò)教材中靜止的圖片觀察到其變化.而MATLAB不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，利用其GUIDE功能，根據(jù)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(duì)應(yīng)的光強(qiáng)曲線，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解.

圖3為楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)演示軟件的界面，學(xué)生可以通過(guò)設(shè)置雙縫間距、雙縫與接收屏之間的距離來(lái)觀察不同的干涉條紋以及明暗條紋對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值，也可以通過(guò)輸入不同的波長(zhǎng)來(lái)演示不同波長(zhǎng)的光的干涉結(jié)果.圖4為軟件模擬同一波長(zhǎng)的光在不同條件下的干涉結(jié)果.

圖3

圖4

如圖5所示，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)單縫的寬度來(lái)觀察光的衍射結(jié)果.如圖6所示，可以了解單縫的寬度與光波波長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)衍射結(jié)果的影響.圖7為軟件對(duì)同一束光通過(guò)不同寬度的單縫產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象的模擬.

圖5

圖6

圖7

MATLAB在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用還有很多，通過(guò)以上的討論可以發(fā)現(xiàn)：適當(dāng)引入交互式物理實(shí)驗(yàn)演示軟件輔助教學(xué)，可以使教學(xué)形象生動(dòng)，它將有助于物理概念的深化，能將抽象復(fù)雜的物理規(guī)律有序、可控、清晰、直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，這將極大地改善課堂的教學(xué)效果.

[1] 魏青.MATLAB軟件在中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中小學(xué)電教,2013,(6)：77.

[2] 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,(11)：40.