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　　摘要利用Matlab的GUI功能在可视化图形处理和科学计算方面的能力，我们设计了物理实验的牛顿环的光学仿真模拟，从模拟效果来看，实验仿真非常生动，同时也可以进行模拟测量，达到了预想的效果。

　　关键词 Matlab 可视化 光学仿真 牛顿环

　　Matlab是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的简称，是美国MathWorks公司出版的商业数学软件，不仅具有数据分析、科学计算和图像处理等功能，还具有交互式图形用户界面等功能，Matlab语法简单方便，数值计算高效，图形功能完备，所以matlab在物理现象演示、作图、数据处理优化和模拟仿真方面应用非常广泛。①

　　本文基于MatlabGUI②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）；

　　imshow（I）；

　　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。

　　注释

　　①刘志成，张君霞，黄蕊.Matlab可视化在大学物理实验中的应用.大学物理实验，2015（1）：69-72.

　　②张志涌.精通MATLAB6.5版.北京航空航天大学出版社，2003：482-495.

　　③黄蕊，张君霞，刘志成.用MATLAB比较双缝干涉和双缝衍射.大学物理实验，2015（1）：90-22.

　　④马文蔚，解希顺，周雨青.物理学（第五版）下册.高等教育出版社，2006：111-113.

　　⑤聂玉梅，刘强等.大学物理实验.兵器工业出版社，2007：35-36.

　　⑥马文蔚，解希顺等.物理学（第四版）下册.高等教育出版社，2006：111-112