MATLAB可视化在大学物理演示实验中的应用

关键词 matlab 可视化 光学仿真 牛顿环

中图分类号：g642 文献标识码：a doi：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.07.022 本文基于matlab gui②设计，通过牛顿环、声速测量、迈克尔逊干涉仪的模拟和具体实例分析，从而了解matlab可视化在大学物理中的演示应用，及数据处理过程。③通过数字化模拟演示，生成动态图像，完成数据测量及数据处理分析，并扩展了实验的观察项目，达到明晰原理，提高观察效果，分析误差成因等更好的教学效果。鉴于物理设备和光学实验的操作规范性强等原因，实物操作实验存在原理清晰度不够、观察吃力、测量误差大等不足。而matlab可视化演示能在实物实验的基础上提供更加理论的补充，能在设备不变操作时辅助课堂教学，能在对比实验中寻求误差原因等等，从而促进大学物理的教学。目前我们已近积累了相关演示项目近30余项，也为目前全国推进的慕课和微课作好了资源储备。下面是我们可视化的两个具体项目。

1 牛顿环matlab可视化演示项目 1.1 牛顿环干涉原理

牛顿环是通过可见光的等厚干涉而得到的一系列同心圆环，通过测量干涉圆环的直径，我们可以间接测量半凸透镜的曲率半径。牛顿环实验光路图如图1所示。

我们在实际测量过程中，为了提高测量精度，都是测量圆环的直径。通过测量级和级暗环的直径，得到半凸透镜的曲率半径为⑤ 1.2 牛顿环的matlab模拟 牛顿环干涉的光强分布为⑥ 可由（1）式可得到：

我们利用matlab计算牛顿环的光强分布，应用gui的图形化处理功能和交互式用户界面，得到如图2的牛顿环演示实验界面，界面的左边为实验原理装置部分，右边为干涉图像。测量控件的光强回调函数如下：

lamda=str2double（get（handles.lamda，'string'））； r=str2double（get（handles.r，'string'））； d=str2double（get（handles.d，'string'））； lamda=get（hobject，'value'）；

set（handles.lamda，'string'，num2str（lamda））； lamda=lamda*1e-7； d=d*1e-7；

lamda1=lamda*1e9；

set（handles.text2，'string'，lamda1）；

[x，y]=meshgrid（linspace（-0.006，0.006，600））； r2=（x.^2+y.^2）；

di=2.*（d-（r-sqrt（r^2-r2）））-lamda/2； %光程差 i=（cos（di.*pi/lamda））.^2； %光强分布 axes（handles.axes2）；

在交互式部分，我们可以通过滑条改变入射光的波长，半凸透镜的半径，以及半凸透镜与平板玻璃底部的距离，观察干涉条纹的变化，从而了解影响干涉条纹的要素。同时我们还设计了与实际测量相仿的测量方式，通过十字标线读取圆环的位置坐标，从而到达测量圆环

直径的效果。

2 声速测量的matlab模拟演示项目

我们还设计了如图3所示的声速测量模拟演示实验，通过输入超声波频率和调节滑条，达到转动轮转动，同时超声波接收器移动，示波器上的李萨茹图形发生变化，以及共振法的波形振幅改变，从而达到模拟实验测量的效果。 3 结论

我们通过上面的具体实例，讨论了matlab在大学物理演示实验中的应用，同时，也可以利用matlab强大的图形处理功能和计算功能，将更多的物理实验展示给学生，我们还做了单缝衍射，光栅衍射等模拟演示实验，通过上面的讨论，利用matlab数值计算及可视化功能，实现了大学物理实验的模拟设计，不仅可以利用matlab来演示物理实验，也可以作为物理实验教学过程的一个辅助手段。同时，在理论教学过程中作为物理演示展示给学生，帮助学生理解和学习物理原理。使得教学过程和内容更加生动。