田秀云 谢玉萍 师文庆 王文华 赖学辉

摘  要：鉴于大学物理实验教学班很多，会遇到有些实验原理部分大学物理还没有学，实操前也没有太多时间详细讲授实验原理、公式的推导，不能改变实验参数结合实验现象进行讲解，学生完成实验后仍是一头雾水。选取了几个典型的物理实验：李萨如图形、驻波、单缝衍射实验和牛顿环等厚干涉实验，利用MATLAB GUI设计界面，改变参数动态直观地显示物理图像，增强实操过程中学生对物理现象与物理规律的理解，激发学生的学习热情，提高教学质量。

关键词：MATLAB GUI；大学物理实验；可视化

中图分类号：TP39；G434    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）06-0196-03

Exploration of College Physics Experiment Teaching Mode Combining Simulation with Practice

TIAN Xiuyun， XIE Yuping， SHI Wenqing， WANG Wenhua， LAI Xuehui

（Faculty of Electronics and Information Engineering， Guangdong Ocean University， Zhanjiang  524088， China）

Abstract： In view of the fact that there are many physics experiment teaching classes in university， there are some experimental principles that have not been learned in university physics， and there is not much time to teach experimental principles and formula derivation in detail before practical operation. Teachers cannot change experimental parameters and explain with combining the experimental phenomena. After the experiment has been completed， students are still confused. Several typical physics experiments are selected in this paper， such as Lissajous Figure， standing wave， single slit diffraction experiment， Newton's ring and other thick interference experiment. It uses MATLAB GUI to design interface， changes the parameters to display the physical images dynamically and intuitively. It enhances the understanding to physical phenomena and laws of middle school students， stimulates students' learning enthusiasm， and improves the quality of teaching.

Keywords： MATLAB GUI; college physics experiment; visualization

0  引  言

大學物理实验是理、工、农、林、医等专业基础训练的一门必修课，在培养大学生科学实验能力的过程中起着重要的作用[1]。但是，目前高校大学物理实验存在与大学物理课程内容不同步的问题，如机械振动和波动光学在大学物理中属于偏后的章节，而每学期实验教学班很多，实验室资源有限，很难把所有班级与振动和光学有关的实验都放在学期初。为了保证每次实验学生能有更多的时间动手实操，实验老师只是简单介绍实验原理，无法给出详细的推导，也没有办法改变实验参数根据实验现象讲解，学生在没有完全理解实验内容的前提下根据实验步骤调节仪器记录数据，对实验现象无法做出正确判断与分析。

MATLAB不仅具有强大的数值计算和图形可视化工功能，还具有创建交互式GUI界面的功能[2，3]，通过调整GUI界面上参数的数值，对比不同参数下图像的变化，可以直观观察各物理量之间的关系。MATLAB已经被广泛应用于科学计算、数据分析及数据可视化中[4-11]。将MATLAB引入到大学物理实验教学中是提高教学效果的有效的辅助工具。

本文选用与振动和光学有关的几个典型实验，通过MATLAB编程实现图像可视化，然后设计MATLAB GUI界面，将编程代码导入到GUI界面后缀为.m文件下，进行界面数据的读取与设置，将图形显示在GUI界面上。通过文本输入或者滑动条改变参数，动态显示图像的变化情况，帮助学生理解实验内容，检验学生实操数据的正确性。

1  李萨如图形

两个振动方向相互垂直的简谐振动，运动方程分别为：

x=A1cos （ω1t+φ1）                            （1）

y=A2cos （ω2t+φ2）                            （2）

其中：A1和A2为两简谐振动的振幅，ω1和ω2为两简谐振动的角频率，φ1和φ2为两简谐振动的初相。当角频率之比为简单的整数比时，合成的稳定的闭合曲线称为李萨如图形。角频率和李萨如图形的关系为[12]：

（3）

式中：Nx为假想一条水平线和图形的边缘相切对应的切点数，Ny为假想一条竖直线和图形的边缘相切对应的切点数。当某一个方向频率已知时，利用式（3）可以测量另一个方向信号的频率。

令A1=A2=1，Δφ=[0， π/8，π/4，3π/8，π/2]，ω1：ω2=[2：1，3：1，3：2]时，利用MATLAB绘制振动合成轨迹图形，如图1所示。

从图1可以直观地了解合成轨迹与频率比和初相的关系。在做大学物理实验时，为了能看清图形的切点数，通常会调整一个信号的初相使得合成的李萨如图形比较正对称。经常有学生会问，当对应某个频率比正对称图形调好后，改变频率比是否要重新调整初相或者为什么需要重新调整。利用图1学生可以清楚了解到，当ω1=0，频率比是3：1和3：2时，正对称的李萨如图形对应的φ2=π/2。而当频率比是2：1时，正对称的李萨如图形对应的φ2=π/4，与其他情况不同。利用MATLAB软件，通过改变频率比还可以得到不同频率比的正对称李萨如图形对应φ1和φ2值。可见，MATLAB仿真和线下实操实验相辅相成，起到很好的辅助作用，这一点利用理论公式推导则非常复杂。

李萨如图形也是大学物理简谐振动合成重要的一个知识点，有些教材给出的对应不同频率比合成轨迹如图2所示，通过和图1对比发现，教材频率比是3：1和3：2绘制的图形有误。可见MATLAB具有强大的图形可视化功能，辅助教学的作用不可小觑。

2  驻波实验

两列振幅相同、频率相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播叠加形成驻波。振动过程中始终静止不动的点称为波节，振动最强的点称为波腹，根据波的叠加原理进行理论计算，可知相邻的波节和相邻波腹之间的距离为λ/2[13]，利用MATLAB编程实现的驻波可视化图形如图3所示。

通过调节滑动条，改变波长，从图像的坐标可以测出相邻波节距离与波长的关系，和理论推导一致。同时还可以直观看到驻波的分布特点，帮助学生理解、掌握驻波的相关理论和结论，有利于进行拓展应用。

3  单缝夫琅禾费衍射实验

单缝夫琅禾费衍射，接收屏上的光强分布规律为：

（4）

式中，u=παx/λf，α为单缝宽度，λ为入射光波长，f为透镜焦距。利用MATLAB绘制接收屏上光强分布图，如图4所示。

可以看出，当缝宽发生变化时，接收屏条纹的位置和条纹宽度都会发生变化。也可以调整透镜的焦距，即透镜到接收屏的距离进行对比观察。可视化图像和理论公式相结合，会给学生留下很深的印象。GUI界面调节方便，对于不懂MATLAB编程的同学也可以通过调整参数观察实验现象。

4  牛顿环实验

牛顿环仪是由一块曲率半径很大的平凸透镜放在一块光学平面上叠加形成，当单色光垂直照射此装置时，可以看到明暗相间的同心圆环，称为牛顿环。通过测量条纹的半径或者直径可以计算凸透镜凸面的曲率半径。如图5所示，空气薄层厚度为e处两相干光的光程差为[14]：

（5）

根据等厚干涉理论，干涉条纹的强度为[15]：

（6）

其中：R为平凸透镜凸面的曲率半径，λ为光源波长，I0为两相干光的最大光强。令λ=500 nm，R可调整范围为500 mm～2 500 mm，根据光强的关系式，利用MATLAB软件绘制图形，如图6所示。

通过滑动条调整曲率半径数值，学生可以直观观察干涉条纹随曲率半径的变化关系。课后可以拓展一个内容，GUI界面中加入波长的滑动条，拖到滑动条观察干涉条纹随波长的变化关系，培养学生编程能力、分析问题和解决问题的能力、界面优化的审美能力。

5  结  论

本文利用MATLAB GUI界面参数方便调节的优势，进行实验仿真，可以作为课堂讲授的辅助工具，让学生初步了解实验现象，有助于实操过程中判别仪器呈现的结果是否正确，是否出现了误操作。理论讲解、MATLAB仿真和实操相结合的教学模式，能够加深学生对实验原理、实验现象和实验结果的理解，激发对物理实验的学习兴趣。

参考文献：

[1] 师文庆，李永强.大学物理实验 [M].北京：中国农业出版社，2015.

[2] 刘志成，张君霞，黄蕊.MATLAB可视化在大学物物理实验中的应用 [J].大学物理实验，2015，28（1）：69-72.

[3] 李斌，谭鹏，陈国杰，等.MATLAB GUI在大学物理实验教学中的应用 [J].实验科学与技术，2013，11（3）：35-36+163.

[4] 崔连敏.MATLAB可视化在大学物理实验教学中的应用 [J].信息技术，2016（1）：104-107.

[5] 顾锦华，钟志有，王皓宁，等.MATLAB可视化在高等院校实验教学中的应用 [J].科技与创新，2018（9）：136-138.

[6] 顾锦华，龙浩，王皓宁，等.MATLAB在大学物理实验教学中的应用 [J].绿色科技，2018（7）：251-253.

[7] 李斌.MATLAB在大学物理实验常用数据处理中的应用 [J].大学物理实验，2018，31（4）：93-96.

[8] 杨阔，郭娟，雷晓蔚.大学物理可视化仿真实验系统设计与实现 [J].实验室研究与探索，2019，38（2）：81-84+94.

[9] 董泽民.MATLAB在大学物理实验教学中的应用 [J].工业程控制计算机，2017，30（6）：159-160.

[10] 夏丽莉，赵静翔，马余全.MATLAB在大学物理教学中的辅助应用 [J].物理通报，2022（1）：10-13.

[11] 周志玉.基于MATLAB GUI的大学物理实验数据处理系统设计 [J].太原师范学院学报：自然科学版，2022，21（1）：77-81.

[12] 李小燕，冯卓宏.应用MATLAB辅助《大学物理实验》教学 [J].实验科学与技术，2014，12（5）：63-65+85.

[13] 陈春雷.大学基础物理教程 [M].北京：中国农业出版社，2018.

[14] 熊正烨，石友彬，张海康.大学物理学 [M].北京：科学出版社，2020.

[15] 李艳，王洪涛，陈涤缨.GNUPLOT在大學物理实验演示中的应用 [J].高师理科学刊，2018，38（1）：93-96+106.

作者简介：田秀云（1974—），女，汉族，辽宁朝阳人，讲师，硕士，研究方向：软件算法及教学改革。

收稿日期：2022-10-30

基金项目：2021年广东海洋大学教育教学改革项目（010201112104）；2022年广东海洋大学质量工程建设项目（010301112202）