matlab-gui-在光学实验教学中的应用

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1、MATLABGUI在光学实验教学中的应用目录1引言12杨氏双缝干涉12.1杨氏双缝干涉实验的理论12.2基于MATLABGUI的仿真平台23牛顿环干涉53.1牛顿环干涉实验的理论53.2仿真平台的设计64结论8致谢9参考文献9英文摘要9个人简历10MATLABGUI在光学实验教学中的应用运城学院，山西运城摘要：利用MATLABGUI设计了杨氏双缝干涉、牛顿环干涉等经典光学实验的仿真平台。借助实验仿真平台，有助于加深对相关实验理论的理解；与实际的实验操作相结合，不仅可以激发学生的学习兴趣，也提高了课堂教

2、学效果。关键词：光学实验；MATLAB；仿真平台1引言光学实验是普通物理实验教学的重要内容，由于光学实验的仪器操作相对比较复杂，在有限时间内完成实验参数的多种变化比较困难。随着现代科学技术的发展，人们相继开发了各种数值程序[1,2]或者虚拟实验平台[3-6]来研究相关的光学实验。其中基于MATLAB软件的虚拟实验平台具有界面友好，参数灵活可变，实验现象直观丰富，没有仪器损耗等优点，在实践教学中被广泛引入。本文中，我们基于MATLAB软件，利用其GUI功能，设计了杨氏双缝干涉、牛顿环干涉等经典光学实验的

3、交互式仿真平台，在实验预习过程中可以有效提高预习效果，进而节约了课堂讲解时间，提高了课堂教学效果。2杨氏双缝干涉2.1杨氏双缝干涉实验的理论s1s2dPabDLθ杨氏双缝干涉属于分波面干涉，是最早证明光的波动性的经典实验之一。为了便于仿真程序的编写和调试，在保证清楚说明干涉原理的前提下尽量简化相关条件，所以我们采用图1所示的杨氏双缝干涉实验简图。图1杨氏双缝干涉实验简图11图中，由光源发出的单色光通过狭缝s1和s2在光屏上的P点相遇，此时两束光的相位差为：(1)考虑到实验的近轴和远场条件[7]，近似认

4、为：(2)当光强为最大值时，(3)由(2)和(3)两式得：(4)则相邻光强为最大值的干涉条纹的距离为：(5)同理可得相邻光强为最小值的干涉条纹的距离为：(6)在光屏上不同的位置具有不同的光程差或者相位差，所以最终形成亮暗相间的干涉条纹，其强度分布可以由下式表示：(7)通过理想模型推导得到的数学表达式很容易用程序编写，使得杨氏双缝干涉结果较为准确的模拟出来。2.2基于MATLABGUI的仿真平台利用MATLABGUI设计的杨氏双缝干涉实验的模拟界面如图2所示。其设计目的是通过改变波长、缝宽和屏距，模拟杨

5、氏双缝干涉的图样和光强分布。11图2杨氏双缝干涉实验的GUI图中所采用的元件:(1)静态文本框六个，用于提示界面相关元件信息；(2)动态文本框三个，用于显示波长、缝宽和屏距的选取数值；(3)滑块三个，用户可根据实验要求选择波长、缝宽和屏距的数值；(4)坐标轴两个，用于显示模拟的实验结果；(5)按钮两个，分别用于用户模拟和退出界面。程序设计思想：基于杨氏双缝干涉理论，利用MATLAB语言将理论公式转化为数学表达式，通过属性设置改变滑块取值范围，坐标轴横、纵轴刻度，编写程序实现按钮相关功能。经过以上准备，

6、优化设计，调试程序，查看模拟结果判断程序设计是否可靠，最终给出性能良好的人机交互系统。（附录给出模拟按钮程序，其余元件的相关程序和属性设计有一定MATLAB基础的读者就可自行编写）为检验杨氏双缝干涉实验仿真平台是否可靠，在此给出：(1)波长为660nm、缝宽为1mm和屏距为1.5m的模拟结果（如图3）；(2)波长为660nm、缝宽为2mm和屏距为1.5m的模拟结果（如图4）；(3)波长为660nm、缝宽为2mm和屏距为2m的模拟结果（如图5）；11图3波长为660nm，缝宽为1mm，屏距为1.5m的干

7、涉现象图4波长为660nm，缝宽为2mm，屏距为1.5m的干涉现象图5波长为660nm，缝宽为2mm，屏距为2m的干涉现象其余情况不在此一一列举，读者可利用附录程序自行设计，根据实验数据要求自行模拟，查看模拟结果。113牛顿环干涉3.1牛顿环干涉实验的理论11dR单色光l11牛顿环干涉是用一曲率半径较大的平凸透镜与一平面玻璃板为实验装置，如图6所示。当单色平行光照射到该装置上，会形成以接触点为中心的亮暗相间的圆环形干涉条纹[7]。图6牛顿环实验装置通过对杨氏双缝干涉实验的简化可以发现，可以利用简单的理

8、想模型替代较为麻烦的光学实验，从而使模拟的结果即满足实验要求，又不会有太大偏差。这里我们用等厚干涉替代牛顿环，解释相应的实验原理，如图7。一束光a照射到斜面，一部份反射，另一部分折射，折射光线在底部反射后又在界面折射出去与反射光线b相遇，产生干涉现象。n1n2dabcθ图7牛顿环替代原理图在理想条件下，反射光线b与折射光线c的光程差为光线在介质n2中的路程，由于牛顿环的曲率半径很大，斜面与平面的夹角θ很小，在这里近似认为光程差为2d，考虑半波损失的情况，