matlab实现杨氏双缝干涉仿真实验(附件)【字数：14029】
实验是物理学习中必不可少的一部分，然而有些物理实验在实际生活中很难开展。尤其是光学部分的实验，其实验要求非常苛刻，在实验教学时即使能够达到实验要求，但由于外界条件的影响，实验效果和现象往往差强人意。在实验教学时，绝大多数高校都采用仿真实验代替实际实验。仿真实验的操作简单快捷，不受环境和位置的影响，能够实现多人异地同时进行实验。此外，仿真实验效果和现象能够真实反映光学原理，得出科学数据，不需要大量的实验仪器和设备有效的避免了仪器的损耗。本文详细说明如何运用大学所学的MATLAB来开发一款能够仿真杨氏双缝干涉实验的软件。该软件的开发基于MATLAB中的GUI工具，GUI又被称为图形用户界面。杨氏双缝干涉实验的现象是在屏幕上形成明暗等间距的条纹，条纹的明暗位置与波长，双缝之间的距离以及双缝到屏幕的距离有关。根据杨氏双缝干涉实验的特点，在MATLAB中编写相关代码，将矩阵中的所有元素转化为对应的色彩，以此表示明暗间隙的条纹。在GUI界面上设计出一系列的控件和图形窗口，每个控件的功能都不相同，将编写完成的代码插入到对应的控件代码处，实现仿真杨氏双缝干涉实验软件的开发 程序代码的编写以杨氏双缝干涉实验理论为基础，通过运行本软件，用户能够在软件的左半部分看到明暗间隙的条纹以及对应的光强变化曲线，在右半部分看到对应的每个自变量的值，完全符合实际实验现象。因为没有外界光线的影响，本软件产生的明暗条纹比实际实验的明暗条纹更加清晰，另外本软件的最大特点是动态及时的观察明暗条纹与光强变化之间的关系，这是实际实验无法实现的。由于本软件只呈现了最终的明暗间隙条纹和对应的变量值，并没有出现仿真光源，双缝以及屏幕的图标，这是本软件的美中不足。关键词MATLAB；仿真；杨氏双缝干涉实验；GUI
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究内容 2
第二章 相关软件的介绍 4
2.1 MATLAB的简介 4
2.2 Graphic User Interface（GUI）的介绍 5
第三章 杨氏干涉实验 8
第四章 用MATLAB实现杨氏双缝干涉实验的仿真 12
第五章 设计仿真杨氏双缝干涉实验的用户界面 24
第六章 总结 32
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/> 致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 课题背景
随着信息技术的飞速发展，越来越多的物理学工作者意识到物理仿真实验的重要性。物理学的发展离不开实验，实验是物理学的最大特点，纵观古今中外，物理学公式几乎都是由实验得来。如何将实验和物理情景有机结合起来直接决定着实验数据有无科学性。懂得操作实验懂得将理论与实践结合，物理的修养便会得到潜移默化。在如今的物理实验教学中，有些实验仪器不仅昂贵精密而且实验步骤异常繁琐并伴有一定的潜在危险，这使得有些实验必须在专业人士的指导下才能完成，在这种情况下，虽然能够得到实验需要的数据，但有些人并没有深刻的理解仪器的构造和参数的选定，更没有达到亲自反复调试仪器的目的。而物理仿真实验在很大程度上弥补了实验教学中的这种缺陷。
所谓物理仿真实验就是指通过计算机把实验仪器、教学内容和学生的操作有机地结合在一起，模拟实际生活中的实验，进而在计算机上就能完成相关实验并得到科学数据。通过对现实实验仪器的模拟，让未接触过实验仪器的人对实验仪器，构造以及各仪器工作原理有精准认识以至于在实际实验时可以减少和避免对高端仪器的损坏。通过对现实实验的模拟，可以形成对实验环境的认识，增强对仪器在实验中所起作用的认识，提高设计实验，完善实验的意识，提升自身物理修养，最终达到动手反复调节仪器得出科学数据目的。另外物理仿真实验能够将抽象且难以理解的公式，概念或规律通过动画的形式形象生动展现出来，便于学习中的记忆。
物理仿真实验频繁的运用在大学物理实验教学中，尤其是在光学部分。光的衍射和干涉形成的条件很苛刻，其中一个要求是光源单色性，在实际生活中光是由各种频率的光复合而成，无法观察到衍射或者干涉现象。只有在暗室中利用激光器产生的单色光才可能观察到干涉或衍射现象。而多光束干涉的实验在教学时更不易开展，由参考文献[1]知Fabry–Pérot interferometer是一种由两块绝对平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，若用人工调节方式让其平行近乎不可能。Michelson interferometer中的分光板和补偿板同样需要绝对平行导致其在物理教
学中只能叙述原理和展示实验仪器。物理实验教学中往往运用仿真实验来代替这部分的实际实验。
现在开发物理仿真实验的软件很多，其中较为成功且运用范围广的应当属于NOBOOK虚拟实验室。NOBOOK虚拟实验室包含了从初中到大学的所有实验，并且能够自行设计实验。在虚拟实验台上能够动手操作，自主设计实验，有利于培养操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。NOBOOK虚拟实验室并非无偿使用，所以NOBOOK虚拟实验室对于在校学生并非最佳选择。
作为理工科学生，MATLAB是必修课程之一。MATLAB强大之处不仅在于它的计算和绘图功能。它自带Graphic User Interface(简称为GUI)工具使得它具有开发物理仿真实验软件的功能。MATLAB在仿真光学部分实验具有其他软件不具备的优势。首先MATLAB语言倾向于主流编程语言，如C++和C语言，提高初学者的学习效率，便于掌握其语言特点。其次MATLAB软件包内包含了工程中所有的函数，公式和图像，方便用户在工作时调用。最重要的是MATLAB以矩阵为计算核心，将字符串通过相关函数转化为矩阵，并且能够用不同色彩表示矩阵中的元素。光学实验的出发点是让同学观察实验现象并用所学理论解释现象。在仿真光学实验时，编写最终实验现象图形与对应的变量值便能够达到仿真效果。在Graphic User Interface上设计两个区域，其中一个区域展示实验现象，另外一个区域显示与之对应的变量值，这样既能清晰生动的展示实验结果又能让人们将复杂繁琐的公式，概念和图形牢记于心。利用MATLAB开发和实现光学实验仿真，既能够提高程序设计和编写能力，又能够达到计算机仿真的实践意义，对未来的科学研究做出基础性的铺垫。如今随着MATLAB的不断完善和新功能的开发，越来越多的学者，研究人员，政府工作人员以及公司人员都在积极研究MATLAB，学习MATLAB和运用MATLAB，随着时间的推移MATLAB会越来越受到人们关注和使用。
1.2 研究内容
通过学习MATLAB，学会如何运用MATLAB编写杨氏双缝干涉实验的理论代码，学会如何用GUI生成用户界面来显示当其中某一自变量改变时杨氏双缝干涉的明暗条纹的间距和位置的变化，此外考虑到物理仿真实验的使用对象为老师和学生，所以设计的GUI必须要简洁明了，让师生清清楚楚的了解杨氏双缝干涉条纹形成的原因以及自变量之间的关系。MATLAB仿真杨氏双缝干涉实验分为两个部分，第一部分是杨氏双缝干涉实验的理论代码的编写，第二部分是运用GUI设计出能够清晰显示结果的用户界面和如何将编写好的代码插入到GUI自动生成的代码中。最终完成本次毕业设计论文的要求—开发出仿真杨氏双缝干涉实验的软件。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究内容 2
第二章 相关软件的介绍 4
2.1 MATLAB的简介 4
2.2 Graphic User Interface（GUI）的介绍 5
第三章 杨氏干涉实验 8
第四章 用MATLAB实现杨氏双缝干涉实验的仿真 12
第五章 设计仿真杨氏双缝干涉实验的用户界面 24
第六章 总结 32
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参考文献 34
第一章 绪论
1.1 课题背景
随着信息技术的飞速发展，越来越多的物理学工作者意识到物理仿真实验的重要性。物理学的发展离不开实验，实验是物理学的最大特点，纵观古今中外，物理学公式几乎都是由实验得来。如何将实验和物理情景有机结合起来直接决定着实验数据有无科学性。懂得操作实验懂得将理论与实践结合，物理的修养便会得到潜移默化。在如今的物理实验教学中，有些实验仪器不仅昂贵精密而且实验步骤异常繁琐并伴有一定的潜在危险，这使得有些实验必须在专业人士的指导下才能完成，在这种情况下，虽然能够得到实验需要的数据，但有些人并没有深刻的理解仪器的构造和参数的选定，更没有达到亲自反复调试仪器的目的。而物理仿真实验在很大程度上弥补了实验教学中的这种缺陷。
所谓物理仿真实验就是指通过计算机把实验仪器、教学内容和学生的操作有机地结合在一起，模拟实际生活中的实验，进而在计算机上就能完成相关实验并得到科学数据。通过对现实实验仪器的模拟，让未接触过实验仪器的人对实验仪器，构造以及各仪器工作原理有精准认识以至于在实际实验时可以减少和避免对高端仪器的损坏。通过对现实实验的模拟，可以形成对实验环境的认识，增强对仪器在实验中所起作用的认识，提高设计实验，完善实验的意识，提升自身物理修养，最终达到动手反复调节仪器得出科学数据目的。另外物理仿真实验能够将抽象且难以理解的公式，概念或规律通过动画的形式形象生动展现出来，便于学习中的记忆。
物理仿真实验频繁的运用在大学物理实验教学中，尤其是在光学部分。光的衍射和干涉形成的条件很苛刻，其中一个要求是光源单色性，在实际生活中光是由各种频率的光复合而成，无法观察到衍射或者干涉现象。只有在暗室中利用激光器产生的单色光才可能观察到干涉或衍射现象。而多光束干涉的实验在教学时更不易开展，由参考文献[1]知Fabry–Pérot interferometer是一种由两块绝对平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，若用人工调节方式让其平行近乎不可能。Michelson interferometer中的分光板和补偿板同样需要绝对平行导致其在物理教
学中只能叙述原理和展示实验仪器。物理实验教学中往往运用仿真实验来代替这部分的实际实验。
现在开发物理仿真实验的软件很多，其中较为成功且运用范围广的应当属于NOBOOK虚拟实验室。NOBOOK虚拟实验室包含了从初中到大学的所有实验，并且能够自行设计实验。在虚拟实验台上能够动手操作，自主设计实验，有利于培养操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。NOBOOK虚拟实验室并非无偿使用，所以NOBOOK虚拟实验室对于在校学生并非最佳选择。
作为理工科学生，MATLAB是必修课程之一。MATLAB强大之处不仅在于它的计算和绘图功能。它自带Graphic User Interface(简称为GUI)工具使得它具有开发物理仿真实验软件的功能。MATLAB在仿真光学部分实验具有其他软件不具备的优势。首先MATLAB语言倾向于主流编程语言，如C++和C语言，提高初学者的学习效率，便于掌握其语言特点。其次MATLAB软件包内包含了工程中所有的函数，公式和图像，方便用户在工作时调用。最重要的是MATLAB以矩阵为计算核心，将字符串通过相关函数转化为矩阵，并且能够用不同色彩表示矩阵中的元素。光学实验的出发点是让同学观察实验现象并用所学理论解释现象。在仿真光学实验时，编写最终实验现象图形与对应的变量值便能够达到仿真效果。在Graphic User Interface上设计两个区域，其中一个区域展示实验现象，另外一个区域显示与之对应的变量值，这样既能清晰生动的展示实验结果又能让人们将复杂繁琐的公式，概念和图形牢记于心。利用MATLAB开发和实现光学实验仿真，既能够提高程序设计和编写能力，又能够达到计算机仿真的实践意义，对未来的科学研究做出基础性的铺垫。如今随着MATLAB的不断完善和新功能的开发，越来越多的学者，研究人员，政府工作人员以及公司人员都在积极研究MATLAB，学习MATLAB和运用MATLAB，随着时间的推移MATLAB会越来越受到人们关注和使用。
1.2 研究内容
通过学习MATLAB，学会如何运用MATLAB编写杨氏双缝干涉实验的理论代码，学会如何用GUI生成用户界面来显示当其中某一自变量改变时杨氏双缝干涉的明暗条纹的间距和位置的变化，此外考虑到物理仿真实验的使用对象为老师和学生，所以设计的GUI必须要简洁明了，让师生清清楚楚的了解杨氏双缝干涉条纹形成的原因以及自变量之间的关系。MATLAB仿真杨氏双缝干涉实验分为两个部分，第一部分是杨氏双缝干涉实验的理论代码的编写，第二部分是运用GUI设计出能够清晰显示结果的用户界面和如何将编写好的代码插入到GUI自动生成的代码中。最终完成本次毕业设计论文的要求—开发出仿真杨氏双缝干涉实验的软件。
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