用MATLAB GUI開發(fā)向心力與角速度的演示試驗(yàn)界面畢業(yè)論文

1、用matlab gui開發(fā)向心力與角速度的演示試驗(yàn)界面摘要：向心力與角速度在中學(xué)物理教學(xué)中，占有著重要的地位。由于資源的限制和學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)的盲目性，本文通過分析向心力與角速度的關(guān)系，合理的運(yùn)用控制變量法，以小球在光滑桌面上做勻速運(yùn)動(dòng)為例，利用matlab gui模擬、設(shè)計(jì)和開發(fā)出向心力與角速度的交互式實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示界面。在教學(xué)中，用控制變量法和此界面進(jìn)行交互，讓學(xué)生對此知識(shí)的掌握更加深刻。關(guān)鍵詞 向心力 角速度 控制變量法 matlab guiuse the matlab gui to exploit the interface of demonstrative experiment of c

2、entripetal force and angular velocityabstract: the centripetal force and angular velocity occupy an important position in physics teaching in high school, due to schools resource constraints and students blindness when doing the experiment, the paper analyzes the relationship between centripetal for

3、ce and angular velocity, a reasonable use of the control variables, with a small ball made a smooth uniform motion on the desktop, for example, using matlab gui simulation, design and centripetal force and angular velocity developed experimental animation, interactive interface. in teaching, the con

4、trol variables used to interact with this interface, so that students master this knowledge is more profound.keywords: centripetal force angular velocity controlling variables matlab gui目 錄1引言12問題分析13實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)23.1總體設(shè)計(jì)23.2在m文件中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫演示33.3界面要實(shí)現(xiàn)的主要功能63.4上機(jī)制作（靜態(tài)）界面63.5編寫界面動(dòng)態(tài)功能程序74界面的實(shí)際應(yīng)用95總結(jié)10參考文獻(xiàn)11謝 辭12正文附錄1

5、31引言向心力是基礎(chǔ)力學(xué)中的重要概念，無論是在理論教學(xué)中，還是在工業(yè)中都占有著重要的地位。這個(gè)力不像以前接觸過的拉力、摩擦力、彈力那么的容易理解，因?yàn)樗徒撬俣染o密聯(lián)系在一起的，如果沒有了角速度，向心力也就無從談起了，既然角速度這么重要，那我們的重心就要放在這個(gè)量上。角速度不和速度那樣，速度的大小是標(biāo)量，速度的方向是物體遠(yuǎn)動(dòng)軌跡上的切線。雖然角速度的大小也是標(biāo)量，但是它的方向卻滿足右手螺旋定則，這就是難以理解向心力的地方。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要采用現(xiàn)代化的教學(xué)手段千方百計(jì)地為學(xué)生提供觀察物理現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生思維水平和創(chuàng)新能力，但目前很多教學(xué)過程中只采用了簡單文本投影，固定不變

6、的flash動(dòng)畫演示和照本宣讀的教學(xué)模式。向心力與角速度的實(shí)驗(yàn)需要精密的儀器，例如，需要用光滑的桌面、光滑的小球、輕質(zhì)的細(xì)繩等，而這有時(shí)會(huì)使實(shí)驗(yàn)變得困難。在做實(shí)驗(yàn)前，好多老師只是照本宣讀的給學(xué)生講解向心力和角速度的關(guān)系，這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候就具有盲目性，再加上學(xué)生對實(shí)驗(yàn)不重視，學(xué)生就不能學(xué)到應(yīng)有的知識(shí)，教學(xué)效果將會(huì)大打折扣。但是把matlab引入力學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用其可視化功能對力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比如向心力與角速度進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，再結(jié)合學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，就能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在現(xiàn)在物理教學(xué)研究中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其是matlab軟件的使用?！皵?shù)字信號處理

7、”雙語教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)、物理教學(xué)等領(lǐng)域中都涉及到matlab的應(yīng)用。將matlab強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算與圖形圖像功能的完美結(jié)合將解決許多現(xiàn)實(shí)問題，所以matlab的計(jì)算與仿真應(yīng)用到教學(xué)中有著非常重要的意義1。2問題分析在學(xué)習(xí)向心力以前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對勻速圓周運(yùn)動(dòng)有了一定的理解，知道描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的物理量有線速度、角速度、周期、半徑之間的關(guān)系。向心力與角速度的關(guān)系： (1)從上式中可得到：當(dāng)物體的質(zhì)量和做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不變時(shí)，向心力與角速度成正比，在此利用了控制變量法，即控制物體的質(zhì)量和做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不變，改變物體的角速度來觀察物體向心力的變化，或者改變物體的向心力來

8、觀察物體角速度的變化。在此界面的設(shè)計(jì)中，置物體的質(zhì)量和做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不變，均為0.5kg。在做實(shí)驗(yàn)前，我們都有體會(huì)，那就是老師只是照著課本給我們講一下向心力與角速度之間的關(guān)系，這樣即枯燥又引不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，或者老師只是給學(xué)生播放一些flash動(dòng)畫，在這些動(dòng)畫中物體所受的向心力和角速度是不能變化的，如果要變化，就得制作好幾種動(dòng)畫，而這幾種動(dòng)畫在播放的時(shí)候有沒有連續(xù)性，很難從中得出向心力與角速度之間的這種正比關(guān)系。這就需要把matlab引入力學(xué)實(shí)驗(yàn)，利用其可視化功能對力學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比如向心力與角速度進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，再結(jié)合學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，就能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性。3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1總

9、體設(shè)計(jì)本文的設(shè)計(jì)思路是，先通過matlab實(shí)現(xiàn)小球在細(xì)線的牽引下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的.m文件，然后通過gui界面，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)部分文件的調(diào)用并顯示，以期達(dá)到直觀顯示的效果。作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件, matlab提供了圖形用戶界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)功能。圖形用戶界面是包括窗口、圖標(biāo)、菜單、工具條等的用戶界面。matlab中的基本圖形用戶界面對象可分為：用戶界面控制對象（uicontrol）、下拉式菜單對象（uimenu）和內(nèi)容式菜單對象（uicontextmenu）。利用上述對象，可以設(shè)計(jì)出界面良好、操作簡單、功能強(qiáng)大的圖形用戶界面。通過問題分析可知，要設(shè)計(jì)出提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的交互式實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示界面、要盡量

10、減少人工的干預(yù)、即使學(xué)生不懂得程序，也可以方便的操作此界面、要使學(xué)生在使用此軟件的時(shí)候感到簡單、方便和高效性、要將動(dòng)畫和所得到的結(jié)果可視化。就得遵循簡單性、一致性、習(xí)常性原則。被試驗(yàn)界面是以運(yùn)動(dòng)小球?yàn)槔M(jìn)行的，總的設(shè)計(jì)流程圖如下：在matlab的.m文件中實(shí)現(xiàn)演示動(dòng)畫 分析界面要實(shí)現(xiàn)的主要功能上機(jī)制作（靜態(tài)）界面編寫界面的動(dòng)態(tài)程序調(diào)試界面在程序執(zhí)行的過程中，都要調(diào)用動(dòng)畫子函數(shù)，動(dòng)畫的matlab語言實(shí)現(xiàn)又占有很大的篇幅，因此把動(dòng)畫的matlab語言實(shí)現(xiàn)放在了總體設(shè)計(jì)方案的第一步，此算法的實(shí)現(xiàn)對后面的界面設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，也為界面的實(shí)現(xiàn)提供了前提條件。3.2在m文件中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫演示在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中給

11、出了最優(yōu)指派問題綜合計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的5個(gè)步驟，即給出了平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的框架，但并不能用這些步驟來求解最優(yōu)指派問題。要實(shí)現(xiàn)此平臺(tái)，就要逐步對這5個(gè)步驟加以解決。在設(shè)計(jì)界面前，先要將所演示的動(dòng)畫編寫在m文件中, 并能正確運(yùn)行。在m文件編寫的程序，當(dāng)程序在運(yùn)行的時(shí)候，小球運(yùn)行的角速度是不變的，也就是小球是以更定的角速度在做勻周園速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)設(shè)定小球質(zhì)量和做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑都為定值，所以小球所受的向心力也是不變的。在m文件中實(shí)現(xiàn)此動(dòng)畫的部分程序如下：text(0.6,0.9,f=mrw2 m=0.5kg r=0.5m);vel_slider1=get(handles.slider1,value);%spee

12、dset(handles.edit1,string,sprintf(%3.0f,vel_slider1);set(handles.edit2,string,num2str(0.52*vel_slider12);t=0:0.1:8*pi;x=cos(t);y=sin(t);h0=line(x,y,linestyle,-,color,k,linewidth,2);%畫圓，半徑為1axis equalaxis off%接下來建立小球，小球的初始位置為（1,0）h1=line(xdata,1,ydata,0,marker,o,markerfacecolor,r,markersize,25,marker

13、edgecolor,g);x_line=0:0.1:1;%建立拉球直線的方程；其中x_line和y_line為直線的初始坐標(biāo)；y_line=zeros(1,11);h2=line(xdata,x_line,ydata,y_line,linestyle,-,color,g,linewidth,2);speed=0.01;%speed控制小球轉(zhuǎn)速，while ii=1&val=200) set(handles.slider1,value,val); set(handles.edit2,string,num2str(val_n);第一條語句用于從此編輯框中獲得輸入的“角速度”。第二條語句是將從編輯框

14、中獲得的字符串轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)值，因?yàn)閺木庉嬁蛑械牡玫降淖址亲址５谌龡l語句是判斷從此編輯框中輸入的字符的范圍。（3）開始按鈕的回調(diào)函數(shù)vel_slider1=get(handles.slider1,value);%speedset(handles.edit1,string,sprintf(%3.0f,vel_slider1);set(handles.edit2,string,num2str(0.52*vel_slider12);h0=line(x,y,linestyle,-,color,k,linewidth,2);set(h2,xdata,x_change,ydata,y_chang

15、e);vel_slider1=get(handles.slider1,value);開始按鈕的回調(diào)函數(shù)在界面的設(shè)計(jì)中占有著重要的地位，因?yàn)樗刂浦鴦?dòng)畫的開始，在編寫回調(diào)函數(shù)的時(shí)候就屬它占的篇幅最大。第一條語句是從滑動(dòng)條的句柄中獲得小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度。為了讓“角速度”、“向心力”和滑動(dòng)條同步，在此回調(diào)函數(shù)中用到了第二三條語句。第四條語句用于創(chuàng)建動(dòng)畫的初始狀態(tài)。第五條語句用于播放動(dòng)畫，在播放動(dòng)畫的過程中用到了drawnow函數(shù)和pause函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)是創(chuàng)建動(dòng)畫的關(guān)鍵。（4）坐標(biāo)軸的回調(diào)函數(shù)h0=line(x,y,linestyle,-,color,k,linewidth,2);axis

16、 equalaxis off編寫此回調(diào)函數(shù)的作用就是初始化界面和顯示動(dòng)畫畫面的區(qū)域。（5）關(guān)閉按鈕的回調(diào)函數(shù)即在關(guān)閉按鈕的回調(diào)函數(shù)后加close（gcf）；就可以關(guān)閉窗口了。保存后并運(yùn)行，運(yùn)行程序后會(huì)出現(xiàn)本文所描述的界面，剛開始的時(shí)候，在坐標(biāo)軸區(qū)域只顯示了如圖1所示的靜止圖像，為了讓小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，就得給小球置一定的角速度，然后按開始按鈕，這樣小球就在細(xì)線的牽引下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖3，同時(shí)小球所受到的向心力也會(huì)顯示在界面中。圖3 向心力與角速度演示實(shí)驗(yàn)界面從圖3中可以看到，此試驗(yàn)界面中，小球的質(zhì)量和做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑固定不變，均為“”，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度為“”，這里的角速度只是

17、為了說明問題，是人為設(shè)定，而不是現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在的，那么小球所受到的向心力“”是由式求得的，自然這里的“向心力”也不是現(xiàn)實(shí)中的，只是為了說明問題3。4界面的實(shí)際應(yīng)用本文設(shè)計(jì)向心力與角速度演示實(shí)驗(yàn)界面的目的，主要是為中學(xué)生學(xué)習(xí)此知識(shí)點(diǎn)而服務(wù)的，在應(yīng)用此軟件之前，老師可以先給學(xué)生講一下式的含義，講一些現(xiàn)實(shí)中的一些實(shí)例，讓學(xué)生對向心力和角速度有一個(gè)潛意識(shí)的了解。然后老師再定量的給學(xué)生講解向心力與角速度的關(guān)系，在定量解釋的時(shí)候，就該用到此界面了。在用此界面的時(shí)候，先給學(xué)生講明小球的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)半徑為定值，均為，然后運(yùn)用控制變量法操作此界面4。先通過滑動(dòng)條連續(xù)改變小球的運(yùn)動(dòng)角速度，同時(shí)觀察小球所收到的向心力

18、，可以看到：當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)的角速度在連續(xù)變化的時(shí)候，小球所受到的向心力也在連續(xù)變化，它們的關(guān)系由式?jīng)Q定。改變小球運(yùn)動(dòng)角速度的方法還有一個(gè)，那就是直接在“角速度”的下框里輸入角速度的值，當(dāng)輸入的角速度的值在“”時(shí)，才會(huì)有效，因?yàn)樵诰帉懗绦虻臅r(shí)候，規(guī)定角速度的范圍為，如果輸入的角速度的值超過此范圍，或者輸入的不是純數(shù)字，那么程序就出現(xiàn)“”的提醒字符。同理在輸入向心力的時(shí)候，向心力也有一個(gè)范圍，如果輸入的向心力的值超過此范圍，或者輸入的不是純數(shù)字，程序也會(huì)出現(xiàn)超出范圍的提醒字符。在做了上述的工作后，然后讓學(xué)生再去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，這樣模擬實(shí)驗(yàn)加動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，想必學(xué)生對此知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和掌握會(huì)事半功倍的，提高了學(xué)生

19、的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。5總結(jié)本文對向心力與角速度的知識(shí)做了簡單的介紹，合理的運(yùn)用控制變量法，以小球在光滑做面上做勻速運(yùn)動(dòng)為例，利用matlab gui模擬、設(shè)計(jì)和開發(fā)出向心力與角速度的交互式實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示界面。在撰寫論文的過程中，本文把重點(diǎn)放在了如何實(shí)現(xiàn)此交互式實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫演示界面上。因此文章用了較大的篇幅來介紹此界面的總體設(shè)計(jì)流程圖、動(dòng)畫演示在.m文件中的正確運(yùn)行、此界面的靜態(tài)設(shè)計(jì)以及各個(gè)組件的功能、編寫界面動(dòng)態(tài)功能程序和界面在實(shí)際中的應(yīng)用，最后在附錄中給出了此演示實(shí)驗(yàn)在.m文件中的完整程序。文章在界面的實(shí)際應(yīng)用中，為了想方設(shè)法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也滲透了一點(diǎn)教學(xué)設(shè)計(jì)的思想，由于知識(shí)和篇幅的限制，還有不妥的地方待改進(jìn)，。 參考文獻(xiàn)1吳迪，劉軍.基于matlab gui的大學(xué)物理交互式演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫設(shè)計(jì)j.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010年，第1期:53.2羅華飛.matlab gui設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記m.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2009.8:191.3華晉，尹金花.基于gui的干涉衍射的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究j.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011年，第1期:80.4宗節(jié)保，段柳云.基于matlab gui軟件制作方法的研究與實(shí)現(xiàn)j.電子設(shè)計(jì)工程,2010年,第7期:56.正文附錄向心力與角速度演示實(shí)驗(yàn)在.m文件中的完整程序。t=0:0.1:8*pi;x=cos(t);y=sin(t);h0