将MATLAB集成到锡耶纳大学物理课程

锡耶纳大学物理项目的一个主要目标是让我们的学生为事业或物理或相关领域的研究生。支持这金宝app一目标,我们有MATLAB集成^®在整个物理课程,从第一学期开始的第一年(图1)。

学生建立熟练学期学期后,使用MATLAB在web上访问MATLAB从任何联网的电脑。教授阶课程现在可以专注于教学相关的课程,而不是教学新工具或语言,和学生可以立即有助于研究计划需要MATLAB的经验。

一年级普通物理

在今年秋季学期,一年级物理学生必修课程在力学。第一天与MATLAB,他们画一个正弦波,创建一个m文件,符合数据使用一个函数polyval,创建一个3 d的阴谋,并公布他们的研究结果。后来在课堂上,他们用MATLAB分析实验数据收集实验室会话生成抛物运动期间,引力场强度、摩擦,圆周运动和动力。他们适合曲线数据获得的数学表示基础理论,和情节的数据可视化结果。在一个运动,学生们收集的数据从一个模拟波传播的一个字符串。在使用MATLAB绘制这些数据,他们创造了一个正弦波在MATLAB和调整频率,直到匹配测量数据(图2)。

在春季学期,重点转移到电、磁性、波和光学。在这门课上,学生们基于MATLAB的技能获得的前一学期的力学课程。可视化练习实验室工作中发挥核心作用。例如,学生使用MATLAB绘制电场的力向量(图3)。这个练习让他们更深入地理解向量的和力量的总和。

在这两个课程,MATLAB在web上简化了作业和实验作业的评分。而不是收集和管理几十个电子邮件电子表格,现在教授访问学生在线工作。我们使用web接口分配的例子,模板,和其他课程材料。集团项目,学生可以很容易地共享工作与他们的合作伙伴。

二年级计算物理学

二年级计算物理课程的重点是解决物理问题数值。在这一点上,学生们舒适的使用MATLAB进行一系列的计算任务;他们用MATLAB计算复杂的矩阵的特征向量和特征值一样容易年前学生用计算器计算平方根。

在本课程中,教师使用MATLAB(尤其是网络MATLAB)几乎所有的课堂活动。教授在讲座过程中,屏幕显示MATLAB的开销,和学生跟随在自己的电脑,他提出了问题,尝试各种算法,通过解决方案和工作。金宝搏官方网站学生可以立即下载文件教授展示并使用它们来完成家庭作业。

学生们解决每一个问题提出了使用MATLAB中的数值方法。例如,他们用常微分方程动力学分析双体问题,描述了轨道的引力影响下的一个身体明显较重的身体。他们探索牛顿方程利用三体问题。学生们发现这类问题很难解决分析,但可以轻松地解决了在MATLAB数值。一旦他们在MATLAB可视化运动的微分方程,他们发现更容易理解的概念。

学生们还使用MATLAB解微分方程数值套件和符号数学工具箱™。在一个运动,他们确定下一个近地通过2011 AG5小行星将在大约39年,在MATLAB和创建一个动画的事件(图4)。

在之后的课程中,学生们使用MATLAB计算积分在许多维度和解决约束优化问题。一个学生项目着重于渗透的现象,在MATLAB使用蒙特卡罗模拟来评估随机漫步与刚性聚合物在溶液中障碍(图5)。

学生在MATLAB中实现Floyd-Warshall算法找到一个加权图的最短路径代表了锡耶纳大学校园(图6)。在过去,当学生用低级编程语言探索优化和相似的概念,他们太多的时间花在编码的细节。在MATLAB下,他们可以专注于解决问题的物理。

先进的机械、电子和天体物理学

计算物理课是几阶课程的先决条件在物理系,包括电子、天体物理学,和先进的力学和解决问题。

学生在电子课程使用MATLAB分析与线性微分方程模拟电路。例如,他们创建一个电容器电路的数学模型,然后画出的电容器作为时间的函数。我们发现使用香料等更复杂的电路模拟器为这种类型的分析需要一个重要的学习曲线。MATLAB的学生可以立即开始,并很快就尝试新的想法或电路在交互式环境中配置。

在基于项目的天体物理学类,学生测量恒星和星系的基本性质分析天文调查数据。他们使用相同的技术,天文学家们使用各种星系的距离计算或估计他们的光度。他们适合曲线调查数据并在MATLAB绘制结果。许多学生使用MATLAB的出版特性来创建报告他们的工作。

高层的问题解决课程介绍相对论性粒子,不稳定性的概念和混沌行为,和其他高级的主题。学生使用MATLAB为多个作业,包括建模线性过滤器、可视化的运动电子在电场,并绘制质量的轨迹摆动阿特伍德的机器(图7)。

研究准备

大多数正在进行的研究项目在锡耶纳使用MATLAB。一些人还充分利用仿真软件金宝app^®和HDL编码器™。学生的经验与MATLAB web使平稳过渡到桌面版的MATLAB和为开始使用仿真软件提供了坚实的基础。金宝app

我们鼓励所有物理学生参与教师科研项目的第一年。几个学生已经参加了萤火虫卫星项目,锡耶纳之间的共同努力,美国宇航局戈达德太空飞行中心由美国国家科学基金会资助。在这个项目中,研究人员正在研究闪电,突然之间的联系的高能伽马射线爆发在地球大气层。萤火虫卫星将携带一个伽马射线传感器和光学光敏二极管。研究小组,包括锡耶纳师生,用MATLAB和Simulink设计数字滤波器和信号处理算法能够处理从这些传感器的输入。金宝app团队生成synthesizable HDL代码部署到FPGA设计的乘坐这卫星。信号处理需要快速傅里叶变换,这是更容易实现在MATLAB和Simulink比直接在高密度脂蛋白。金宝app该研究小组还使用MATLAB开发后处理分析工具所收集的数据卫星在其使命。

课程整合的优势

在过去的几年里,上层阶级锡耶纳大学支离破碎;一些学生更熟悉电子表格,其他与特定的编程语言。缺乏统一的教授是一种挑战,因为无论选择哪个工具课程,总有学生不熟悉它的一个子集。教师领导夏天研究项目面临类似的挑战,因为学生加入了项目需要时间来获得必要的MATLAB技能。

我们克服了这些挑战MATLAB集成到物理课程。这种集成使我们的学生发展实际skills-starting第一——他们将使用不仅在锡耶纳在整个本科阶段的学习,在接下来的十年。