Sammendrag av foredraget ved

Seminar om bruk av matematisk programvare, Porsgrunn 2.-3. juni 1997

Bruk av animasjon og grafisk grensesnitt i MATLAB for visualisering i fysikkundervisningen

Ladislav Kocbach

Fysisk institutt, Universitetet i Bergen, Allégaten 55, 5007 Bergen

Sammendrag: MATLAB har ett utmerket generelt programmeringspråk, som er vel egnet til hurtig programmering av enkle animasjoner. Det er også mulig å lage ganske omfattende programmer, med bruk av grafisk brukergrensesnitt. I foredraget gjennomgås enkle anima-sjonsteknikker og problemer man møter som begynner. Videre blir tre mindre eksempler og ett større program fra faststoff-fysikk og kvantefysikk demonstrert.

I fysikkundervisningen, eller i arbeidet med fysiske problemer i forskningssammenheng er det ofte ønskelig å kunne visualisere bevegelse. Atomfysikkgruppen i Bergen har i mange år arbeidet med slike teknikker, spesielt anvendte til studium av atomære kollisjoner. I disse studier anvendes den såkalte semiklassiske approksimasjon, hvor bevegelse av atomkjerner beskrives ved hjelp av klassisk mekanikk, mens elektronbevegelsen beskrives ved hjelp av kvantmekanikk. Tidsutviklingen av elektronenes bølgefunksjoner i kollisjoner var representert i animerte bildesekvenser, som var automatisk produsert fra numeriske beregninger.

Visualiseringsprogrammer er skrevet i C og ble tilpasset Unix, MS-DOS og Macintosh maskiner.

Parallelt med forskninsanvendelsene har man også utviklet en mengde av små og større programmer som kunne brukes i undervisningen, spesielt animasjoner hvor linjegrafikken anvendes til visualisering av tidsforløpet av flere representasjoner av forskjellige fysiske prosesser. Disse var skrevet i varierende språk, fra FORTRAN, C, eller BASIC til Mathematica. I de siste årene har vi anvendt stadig oftere MATLAB til slike formål.

Sett fra dette perspektiv har MATLAB følgende fordeler:

1. Fleksibelt og omfattende programmeringsspråk, uten kompilering Beregninger for vektorer og matriser er oftest like hurtige som i kompilerte programmer
2. . Grafisk brukergrensesnitt som er enkelt å bruke
3. Omfattende både lavt-nivå og høyt-nivå set av grafiske funksjoner
4. Kildekode til de meste bibliotekfunksjoner er tilgjengelig
5. ‘On-line help’ er implementert på en enkel måte og nesten erstatter manualer

MATLABs svakheter:

1. Animering av pixelgrafikk er ressurskrevende (dette er forbedret i Matlab 5, kommentar etter foredraget)
2. Symbolske operasjoner er ikke implementerte som standard

Første del av foredraget er gjennomgåelse av en enkel animasjon. En rett-frem anvendelse fører til mye blinking og merkelige effekter. Det blir forklart hvordan man ungår dette. Ved animasjoner trenger man å forandre hastigheten. Tidsfunksjoner (‘timer’) er godt implementert, men ikke godt dokumentert i hjelpefiler. Videre blir vist enkelste anvendelser av knapper og skyvekontroller, igjen med diskusjon om hvilke problemer man møter som begynner.

I den andre delen demonstreres konkrete anvendelser, fra faststoff- fysikk og kvantemekanikk. Til disse programmer finnes det materiale på Worl Wide Web, som også er benyttet under foredraget.

Til slutt vil man også vise et lite visualiseringsprogram som bruker symbolsk programmering. Dette programmet er hovedsakelig skrevet som en studentoppgave.

Arbeidet med hypertekst baserte kurs og forskjellige programmer kan sees på

http://www.fi.uib.no/AMOS/course96/ eller

http://www.fi.uib.no/AMOS/matlab/.

Materialet som er benyttet under foredraget blir fra midten av juni 1997 tilgjengelig på addressen av dette dokumentet: (http://www.fi.uib.no/AMOS/matlab/pors/).

Material brukt til demonstrasjon under foredraget er å finne her

L. Kocbach WWW

E-post: Ladislav.Kocbach@fi.uib.no