MATLAB GUI 動態仿真在光學實驗教學中的應用

　　摘 要： 本文以光學等傾干涉實驗為例，利用MATLAB GUI設計實驗仿真界面，界面友好直觀，內容豐富，可以通過界面的滑動條改變相關參數，動態顯示仿真結果，觀察和分析各參數對干涉條紋的影響，為光學理論分析與實驗教學提供了方便，為相關課件的設計提供了新的途徑。
　　關鍵詞： 光學實驗教學 MATLAB GUI 等傾干涉 仿真
　　
　　1.引言
　　光學實驗是物理實驗的重要內容。對光學實驗進行計算機仿真，具有重要意義［１－２］：可以把抽象的概念、現象和規律通過仿真生動形象地表達出來，使學生利于理解，加深印象；不必通過具體儀器的調試，通過電腦就可演示，節省了時間，減少了貴重儀器的損傷，等等。通過GUI設計，可以設計出界面良好、操作簡便、功能強大的用戶界面，而且人機交互性好，可以直接在界面上更改參數而不必修改程序，動態顯示仿真結果，更利于學生觀察和分析各參數對干涉條紋的影響，也為相關課件的設計提供了新的途徑。［３－４］MATLAB是集數值運算、符號運算和圖形處理等功能于一體的科學計算語言，而且提供了功能強大的圖形用戶設計界面，可設計出方便直觀的智能型交互界面［５－６］。我用MATLAB 語言的GUI設計，以等傾干涉為例，設計了仿真界面，并應用于光學實驗教學中，取得了很好效果。
　　2.等傾干涉原理和實驗的主要內容［７－８］
　　把單色點光源S放在會聚透鏡L的焦點處，使平行光束ab照射到薄膜表面上。光束分為兩部分：一部分是反射光束ab；另一部分折射后又反射，然后折射成ab，如圖1所示。通過透鏡L使ab、ab在點S′疊加，產生干涉。由于干涉條紋與ab的入射角有關，因此稱其為等傾干涉。
　　等傾干涉的光強分布為：I=Icos［2πdcos］，其中d為薄膜的厚度，f為L焦距，r=。
　　等傾干涉實驗的主要內容包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據處理和思考與練習。
　　3.界面設計
　　Gui界面設計主要包括以下幾個步驟。
　　第一步構思草圖，編排控件的布局。打開Matlab程序，在file菜單中選擇new gui，打開guide設計界面模板，界面模板左邊的各個控件可以直接用鼠標拖到編輯框。
　　第二步設置各控件的屬性。比如設置各控件的標識(Tag)、顏色、字體等。
　　第三步各個控件代碼的設計。關鍵是OpeningFcn(初始界面函數)和控件的Callback(回調函數)代碼的設計。 初始界面函數即設定各參數的初始值，可根據實際情況設定。回調函數是核心，是對界面控件觸發時的事件響應函數。
　　根據需要，界面使用了7個按鈕(Push Button)，標識分別為：實驗目的、實驗演示、實驗步驟、數據處理、思考與練習、實驗演示和系統退出，用鼠標點擊任一個項目，則會執行相應的功能；2個靜態文本框(Static Text)用于輸入波長和薄膜厚度；2個滑動條(Slide)，用鼠標拖動滑動條可以改變波長和厚度的大小；1個坐標軸對象(Axes)用于顯示仿真結果。界面如圖2所示。
　　4.演示控件的回調函數
　　控件的功能是通過執行其回調程序來實現的，用戶界面設計完成后，選中控件用鼠標雙擊，在彈出的菜單中選擇View Callbacks，在其子菜單中選擇Callback，就可以進入回調程序編譯器中，在回調程序編譯器中編寫個控件的代碼，就可以使圖形界面完成約定的任務。
　　演示控件的回調函數代碼：
　　Lambda=str2num(get(handles.slide1，’String’))； %從滑動條中獲取波長的大小
　　d=str2num(get(slide2，’String’))； %從滑動條中獲取厚度的大小
　　f=200；n=1；N=300；xmax=10；ymax=10；
　　x=linspace(-xmax，xmax，N)；y=linspace(-ymax，ymax，N)； %設定相關參數和范圍
　　 for i=1:N
　　 for j=1:N
　　r(i，j)=sqrt(x(i)*x(i)+y(j)*y(j))；
　　B(i，j)=cos(pi*(2*n*d*cos(asin(n*sin(atan(r(i，j)/f)))))/Lambda).^2；
　　end
　　 end%計算光強的大小
　　 Br=4*B*NCL；NCL=255； colormap(gray(NCL))； %設定灰度等級
　　axes(handles.axes1) image(x，y，Br)； %在坐標軸對象中顯示仿真結果
　　5.仿真結果和結果分析
　　在界面中設定波長的初始數據為，厚度，用鼠標點擊演示控件，得到如圖3的仿真結果。
　　用鼠標拖動滑動條，使由大到小變化，則在仿真界面上可以看到，條紋向外發散，如圖4.1所示；如果使由小到大變化，則條紋向里收縮，如圖4.2所示。變化結果與理論完全相同。連續拖動滑動條，則可以觀察到條紋連續變化，實現仿真的動態演示。
　　同樣，如果通過鼠標改變波長滑動條數值大小，可以看到條紋隨波長變化而變化，結果與理論完全相同。
　　6.結語
　　利用Matlab Gui可以設計出內容豐富、界面直觀的光學實驗仿真界面，在界面上可以輸入參數，可以通過滑動條來該變參數，實現動態仿真，更利于學生觀察和分析各參數對干涉條紋的影響，也為相關課件的設計提供了新的途徑。
　　
　　參考文獻：
　　［1］梁齊，許曉琳等.光干涉實驗的計算機模擬［J］.大學物理實驗，2003，16，（3）：61-63.
　　［2］宋清，熊萬杰.光學現象的計算機仿真［J］.中山大學學報論叢，2005，25，（3）：24-29.
　　［3］基于MATLABGUI的大學物理交互式演示實驗動畫設計［J］. 大學物理實驗，2010，23，（1）：52-53.
　　［4］基于GUI的空間濾波實驗的計算機模擬 ［J］. 物理實驗，2010，30，(3)：12-15.
　　［5］羅華飛.MATLAB GUI設計學習手記［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009：224-231.
　　［6］陳 光，毛濤濤等.精通MATLAB GUI設計［M］.北京：電子工業出版社，2008：268.
　　［7］姚啟鈞.光學教程［M］.北京：高等教育出版社，2008：33-35.
　　［8］龔勇清，易江林等.大學物理實驗［M］.北京：科學出版社，2007：123-129.