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基于MatlabGUI设计的光学实验仿真


第 29 卷 第 10 期 2010 年 10 月

实 验 室 研 究 与 探 索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY

Vol. 29 No. 10 Oct. 2010

基于 Matlab GUI 设计的光学实验仿真
钟可君, 张海林
( 南昌

航空大学 测试与光电工程学院 , 江西 南昌 330063) 摘 要: 采用 Matlab GUI 设计对光学实验进行仿真, 界面丰富直观, 可以直接在界面中输入和改变参数 而不需要改变原程序, 直观地分析各参数的变化对实验结果的影响 。为光学理论分析与实验教学提供

了方便, 为相关课件的设计提供了新的途径 。 关键词: Matlab GUI; 光学实验; 仿真 中图分类号: O 439; O 436. 1 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 7167( 2010) 10 - 0052 - 02

MATLAB GUI Based Optical Experiment
ZHONG Kejun, ZHANG Hailin ( School of Measuring and Optical Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,Chian) Abstract: The GUI( Graphical User Interfaces) is beautiful and briefly, user can directly input the parameters on the the GUI, not alter the primary procedure, but making the user able to analyze the parameters influencing the result. It makes it easy to teach optical theory and experiment and offers a new way to design the related CAI. Key words: Matlab GUI; optical experiment; simulation

1





2

设计步骤

光学实验是大学物理实验课程中的重要内容 。光 学实验的理论比较抽象, 在讲解实验原理和实验过程 时, 需要结合实验演示才能使学生更好地理解和接受 , 而现场演示需要稳定的环境和复杂的光路调试 , 这样 会占用太多的课堂时间。如果用计算机对光学实验进 行仿真, 则可使教学过程更加生动有效, 提高学生的兴 趣, 在较短时间内增强学生对理论和现象的理解 , 对实 验操作起一定的指导和参考作用, 也有助于学生对实
[1-] 6 。 验结果的验证与分析 Matlab 软件在提供强大计算功能的同时, 近年来

用 Matlab GUI 设计光学仿真界面, 主要包括以下 : 几个步骤 ( 1) 构思草图, 编排控件的布局。打开 Matlab 程序, 在 file 菜单中选择 new gui, 打开 guide 设计界面模板, 界 面模板左边的各个控件可以直接用鼠标拖到编辑框。 ( 2) 设置各控件的属性。比如设置各控件的标识 ( Tag) 、 颜色、 字体等。 ( 3) 代码的设计。 关键是 OpeningFcn( 初始界面 函数) 和控件的 Callback( 回调函数 ) 代码的设计。 初 始界面函数即设定个参数的初始值, 可根据实际情况 设定。回调函数是核心, 是对界面控件触发时的事件 响应函数。光学实验仿真界面“演示 ” 控件的回调函 数设计流程见图 1。

还大力发展了面向对象的图形技术和 GUI 技术, 使用 [7 - 8 ] 。 采用 Matlab 户可以轻松实现数据的交互式显示 GUI 设计对光学实验进行仿真, 过程简单, 可以设计出 丰富、 直观的界面。操作方便, 可以直接在界面上输入 , 和改变参数 直观地分析各参数的变化对实验结果的 影响。

收稿日期: 2010 - 03 - 10 作者简介: 钟可君( 1978 - ) , 江西南昌人, 男, 硕士, 讲师, 主要研究 方向为光电信息处理和光学实验。 Tel. : 07913863470; Email: kjzhong@ 126. com

图1

回调函数设计远程

第 10 期

钟可君, : 基于 Matlab GUI 设计的光学实验仿真 等 如图 4 所示。 验仿真结果,

53

3

杨氏双缝干涉实验的仿真设计

限于篇幅, 本文仅以杨氏双缝干涉实验和光栅衍 射实验为例, 介绍其仿真界面设计过程和仿真结果 。 杨氏双缝干涉实验的示意图如图 2 所示。

图2

杨氏双缝干涉实验示意图

图4

杨氏双缝干涉实验仿真结果

S 设双缝 S1 、2 的距离为 d, 屏幕到双缝的距离为 r0 且 r0 远大于 d, 则在演示屏上观察到的光强分布的公 式为
[9 ]

4

光栅衍射实验的仿真设计
光栅衍射实验的示意图如图 5 所示
[10 ]


2



I( x) = 4I cos ( πdx / λ r0 ) 式中, 是光波波长。 λ

( 1)

根据设计步骤, 构思草图, 在编辑器中布置控件, Axes 2 和 Axes 3 坐标轴 Axes 1 用来显示实验示意图, 分别用来显示干涉条纹和干涉强度曲线 , 文本框用来 如图 3 所示, 界面可直接输入的参数 输入相应的参数, 有: 波长 λ 、 缝间距离 d 和光栅到屏幕距离 r0 。
图5 光栅衍射实验示意图

设缝数为 N, 缝宽为 a, 光栅常数为 d, 焦距为 f, 光 [11 ] , 波长为 λ 则屏幕上的衍射光强分布的公式为 I = I0 u = sin2 u sin2 Nv u2 sin2 v ( 2)

πa sin θ πd sin θ , v = λ λ a、 同样方法设计仿真界面, 可调节的参数有: N、 d
图3 杨氏双缝干涉实验仿真界面布局

和 λ 。在界面中输入不同参数, 可以分析比较在不同 , 条件下的实验结果, 如图 6 是不同 N 时的衍射图样, 图 7 是不同 λ 时的衍射图样。比较图 6 和图 7 可以看 到, 随着参数的改变, 衍射条纹发生改变, 变化规律与

“ 设计 演示” 控件的回调函数的代码, 在界面中输 入参数 , “演示 ” 点击 控件 , 可以得到杨氏双缝干涉实

图6

栅衍射仿真结果

( 下转第 80 页)

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第 29 卷

( 2) 需要一定的经费支持。学生在作品的制作过 程中, 除了利用实验室现有的仪器设备之外 , 还需要购 买一些组件, 这需要学院给予或者由教师科研项目资 金的支持, 而在具体购买的时候, 指导老师可进行把 关, 以免不必要的浪费。 我校开展的创新研究型实验对于学生和教师来讲 都是一个挑战, 只有从学生认知能力的实际出发 , 选择 合适的实验内容, 正确地组织学生执行预定实验计划 , 合理地评价学生的作品成果才能达到既传授知识又培 养能力的目的。 参考文献( References) :
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2009, 3) : 1819( 2. 初探[J]. 物理与工程, [4] 元泽怀. 开放式设计性综合实验课程教学的改革与实践[J] 实 . 2009, 11) : 12028( 122. 验室研究与探索, [5] 孙 . 福, 赵月飞. 开放式实验教学管理模式的改革与实践[J] 实 2008, 11) : 14227( 144. 验室研究与探索, [6] 时连君, 万殿茂. 实验室开放与创新型人才培养的探索[J]. 实验 2009, 5) : 16828( 170. 室研究与探索, [7] 朱 云, 陈 健, 朱 纯. 简论探究性实验在物理教学中的功效 [ . 江南大学学报( 教育科学版) , J] 2009, 3) : 28929( 290. [8] 孙小权, 邹丽英. 实验室开放的探索与实践[J]. 实验室研究与探 2005, 4) : 10724( 109. 索, [9] 顾 邦 明. 开 放 创 新 型 物 理 实 验 探 索[J] 浙 江 万 里 学 院 学 报, . 2008, 5) : 10121( 103. [ 10] 韦 [ 11] 王 韧, 王全军. 大学物理实验创新教学的探索[J]. 实验室科 叶, 马国宏. 研究型实验教学探索[J]. 实验室研究与探索, 2009( 2) : 2425. 学, 2009, 4) : 10128( 102, 111. [ 12] 邓子新. 实验室重在培养创新型的人才[J]. 实验室研究与探索. 26( 4. 2007, 3) : 3-

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接第 53 页)

图7

光栅衍射仿真结果
2005, 3) : 2425( 29. 丛, [3] 谢嘉宁, 建林. 夫 琅 禾 费衍射 的计 算 机 仿 真[J]. 大 学 物 理, 赵 2004, 3) : 5123( 54. [4] 梁 [5] 赵 齐, 许晓琳. 光干涉实验的计算机模拟[J]. 大学物理实验, . 纪. 物理实验 CAI 仿真课件的开发[J] 实验室研究与探索, 2003, 3) : 6116( 63.

理论完全相同。还可以改变其他参数, 分析参数改变 对衍射条纹的影响。

5





Matlab GUI 设计使用方 从上面的分析可以看到 , 法简单 , 可以根据需要设计出丰富的界面 , 且可直接 在界面中输 入 和 改 变 参 数 而 不 需 要 改 变 原 程 序 , 有 利于分析和 比 较 在 不 同 参 数 条 件 下 的 实 验 结 果 , 把 为 抽象的光学 问 题 进 行 简 明 直 观 的 动 态 展 示 , 光 学 理论和实验 教 学 提 供 了 方 便 , 相 关 课 件 的 设 计 提 为 供了新途径 。 参考文献( References) :
[1] 胡颖舒, . 吴先球. 基于 Origin 的光学实验计算机仿真[J] 实验室 2007, 8) : 1126( 13. 研究与探索, [2] 宋 清, 熊万杰. 光学现象的计算机仿真[J]. 中山大学学报论

2001, 1) : 2720( 28. [6] 张永梅, . 魏丽鹏. 用计算机研究光的多缝衍射[J] 物理与工程, 2000, 2) : 5115( 54. [7] 罗华飞. MATLAB GUI 设计学习手记[M]. 北京: 北京航空航天 2009: 224231. 大学出版社, [8] 陈 M]. 北京: 电子工业出 光, 毛涛涛. 精通 MATLAB GUI 设计[ 2008: 268. 版社, [9] 赵凯 华. 新 概 念物 理 教程: 光学[M] 北京: 高等教育出版社, . 2004: 103106. [ 10] 赵凯 华, 锡 华. 光 学 ( 下 册) [M] 北 京: 北 京 大 学 出 版 社, . 钟 1989: 11. [ 11] 姚启钧. 光学教程[ . 北京: 高等教育出版社, M] 2008: 9495.


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