石大物理光学牛顿环-毕业论文--最终定稿

石河子大学毕业设计题目：牛顿环实验的Matlab仿真研究院（系）：师范学院物理系专业：物理学学号：2007010204姓名：李智伟指导教师：范婷完成日期：2011-5-31石河子大学师范学院毕业设计（论文）I摘要随着计算机和计算方法的高速发展，计算机模拟仿真也开始成为了一种科学研究手段。光学实验仿真在光学教学方面就有很广泛的应用，通过模拟仿真可以把抽象的光学理论形象生动地展示出来，更有利学习和理解。目前有关光学实验仿真的研究也比较多，用的较多的软件是Matlab、Mathematica、C++等软件。其中Matlab是一个边解释边执行的计算机语言，而且具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能的软件，其输出结果可视化，编程效率极高，用极少的代码即可实现复杂的运行，以便快速地验证自己的模型和算法。本文介绍了Matlab用于光学实验仿真的基本理论，通过对牛顿环实验的亲身操作，获取了具有实际应用价值的参数，并将相关参数用Matlab程序对牛顿环实验进行了光学仿真研究，以便用于教学，方便学生更直观的学习和掌握牛顿环实验的相关理论。关键词：Matlab，光学实验，仿真，牛顿环石河子大学师范学院毕业设计（论文）IIABSTRACTAlongwiththecomputerandcalculationmethodofrapiddevelopment,thecomputersimulationalsobegintobecomeascientificresearchmeans.Opticalexperimentalsimulationinopticalteachinghasawiderangeofapplications,throughthesimulationcanputtheabstractopticaltheoryimagevividlydisplayed,themorefavorablelearnandunderstand.Therelatedexperimentalsimulationresearchalsoopticalwithmore,themoresoftwareistheMatlab,Mathematica,c++software.AmongthemisasideexplainsideMatlablanguage,andtheexecutionofacomputerwithpowerfulmatrix,dataprocessingandgraphicdisplayfunctionofsoftware,theoutputvaluevisualization,programming,highlyefficientwithverylittlecodeofcomplexoperationcanberealized,soquicklyverifyhismodelandalgorithm.Basedonthehands-onoperationofNewtonring'sexperiments,fromMatlabforopticalexperimentalsimulationinthebasictheory,obtainthepracticalvalueoftheparameters,andtherelatedparametersforNewtonringwithMatlabsimulationstudytheopticalforteaching,forstudentstolearnandmasterthemoreintuitivetheoriesofNewtonring'sexperiments.KEYWORDS：Matlab，Opticalexperiment，simulation，Newtonring石河子大学师范学院毕业设计（论文）III目录第1章绪论.....................................................................................................11.1光学实验与仿真的研究现状与分析.......................................................................11.2仿真研究的目的和意义...........................................................................................2第2章Matlab简介.......................................................................................42.1MATLAB产生的背景...............................................................................................42.2Matlab语言的优势和特点........................................................................................42.2.1MATLAB的组成................................................................................................52.2.2MATLAB软件的特点........................................................................................5第3章Matlab用于光学实验仿真的基本理论..........................................7第4章利用牛顿环干涉测量透镜的曲率半径实验....................................94.1实验原理....................................................................................................................94.2实验内容....................................................................................................................94.3实验结果..................................................................................................................10第5章Matlab仿真牛顿环实验.................................................................115.1牛顿环仿真的简介..................................................................................................115.2Matlab用于仿真牛顿环实验的程序......................................................................115.3程序运行结果..........................................................................................................125.4不同曲率半径牛顿环仿真图像及分析.................................................................135.5不同入射光波长下牛顿环仿真图像及分析.........................................................145.6图像范围改变时的牛顿环仿真图像.....................................................................14总结.................................................................................................................15参考文献.........................................................................................................16致谢.........................................................................................................17石河子大学师范学院毕业设计（论文）IV石河子大学师范学院毕业设计（论文）1第1章绪论1.1光学实验与仿真的研究现状与分析现代光学的最新进展之一是光学信息处理和数字光计算的飞速发展。光学信息处理是以傅里叶分析方法为核心研究光学成像和光学变换的理论和技术。它以光子传递信息，利用光学或光电子器件进行操作运算，用光的折射、干涉和衍射等特性来实现对输入信息的各种变换和处理[1]。光信息处理最大的优势是其高速度、并行性及互连性。首先，光子在真空中的高数传播使得光信息在处理过程中的高速度显而易见；其次，光学图像信息及其变换过程本来就是二维并行的；此外，光子属于玻色子，不带电荷，不易发生交互作用，因此光束可以在真空中交叉传播而互不影响，这是实现无干扰互连的极好条件。随着现代科学技术的发展和社会需要的扩大，电子计算机越来越不适应并行、大容量的数据和图像的快速计算传输和实时处理的要求。光信息处理由此引起人们的广泛关注。在计算机飞速发展的今天，光学实验仿真受到越来越多的科研工作者和教育工作者的广泛关注。其应用主要有两个方面：第一是在科学计算方面，利用仿真实验的结果指导实际试验，减少和避免贵重仪器的损伤；第二是在光学教学方面，将抽象难懂的光学概念和规律，由仿真实验直观的描述，让学生饶有兴趣的掌握知识。在光学教学方面，国外已经有相关的配有光盘演示光学实验的教材，该教材主要针对高年级学生和研究生使用。其中不仅详细的介绍了几何光学、物理光学、光学成像技术及图像处理技术，而且利用现在普遍使用的软件工具MATLAB对它进行了系统的仿真，也有针对理科和工科低年级学生使用的光学教材，该教材使用matchcad绘制各种逼真的光学仪器，创造出仿真的光学实验室，学生可以利用其进行探索和发现性学习，充分调动学生的积极性。还有网络版光学教程，该教材采用mathematica进行光学仿真计算，结合livegraphic3djava1.1的动画制作功能在网络上实时演示各种光学实验的结果图。我国光学教程在利用计算机仿真方面相对落后。在2003年北京举行的网络教育软件展示上，有关光学实验的网络教学软件都偏重于理论分析方面，对计算机应用于光学实验的仿真方面未给予充分重视[2]。石河子大学师范学院毕业设计（论文）2光学实验一般需要稳定的环境，高精密的仪器，因此在教室里能做的光学实验极为有限，而且也受到授课时间的限制。为了克服光学实验对实验条件要求比较苛刻的缺点，可采用计算机仿真光学实验，特别是光学演示实验，配合理论课的进行，把光学课程涉及的大多数现象展示在学生面前，以加深对光学内容