Matlab软件在牛顿环实验数据处理方法上的创新

Matlab软件在牛顿环实验数据处理方法上的创新徐少刚 夏雪琴 大学物理实验学A12船舶2（浙江海洋学院，浙江 舟山 316022）摘要：本文运用了用Matlab软件的功能函数对牛顿环测量平凸透镜的曲率半径实验的数据进行处理，简化了数据处理过程，提高了实验结果的准确度；同时也提高了我们大学生应用软件的能力，激发了学习兴趣，提高了教学质量。关键词：牛顿环；Matlab软件；最小二乘法；数据处理；创新牛顿环实验是一个古老而又非常重要的光学实验，一般用它来测量平凸透镜的曲率半径十分方便，这个实验在我校已开设许多年了。目前数据处理方法主要有：逐差法和最小二乘法，用人工计算既繁琐又篇幅大，占用了我们学生较多的学习时间，并且往往运算容易出差错，得不到十分理想的实验结果，这样必然会影响我们学生的学习积极性和教学效果。随着计算机软件的迅速发展，如用Matlab软件的功能函数进行最小二乘法曲线拟合，得到平凸透镜的曲率半径，而且还能进行误差理论分析，一方面简化了数据处理过程，提高了实验结果的准确度；另一方面提高了我们大学生应用软件的能力，并且对实验数据处理方法上的一种创新，激发了我们大学生对学习大学物理实验的兴趣，提高了教学质量。1实验原理1在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点附近就形成一层空气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气膜上表面反射的光束和下表面反射的光束在膜上表面相遇相干，形成以接触点为圆心的明暗相间的环状干涉图样，称为牛顿环，其如图1。 由干涉条件知，当时，干涉条纹为暗条纹。于是： 可改为用Matlab软件作图并处理实验数据，作出的关系图。令 ； ； ，图1牛顿环光路示意图可得到拟合直线方程 ，并从其斜率中求出平凸透镜曲率半径的值。2实验数据记录已知钠光的波长，仪器误差表1透镜曲率半径测量数据环数环数KK5532.39421.5383031.03622.9185032.11221.7862530.70223.3384531.90222.0622030.31823.6024031.63822.3141529.91824.0263531.33822.6001029.41024.5063 Matlab软件处理实验数据23.1得到与的数据表令，用Matlab软件编写程序计算：x=55 50 45 40 35 30 25 20 15 10c1=0.032394 0.032112 0.031902 0.031638 0.031338 0.031036 0.030702 0.030318 0.029918 0.02941 % XL的值c2=0.021538 0.021786 0.022062 0.022314 0.0226 0.022918 0.023338 0.023602 0.024026 0.024506 % XR的值c3=c1-c2 %DK=（XL- XR）的值y=c3.2 % y-DK2的值表2由与之间关系得到与的数据101520253035404550552434.745.154.265.976.486.996.81071183.2用polyfit功能函数作与的拟合图3.2.1用Matlab软件最小二乘法公式求出斜率k、相关系数 用最小二乘法求出曲线的斜率k、相关系数， ， Matlab程序： a=polyfit(x,y,1)结果得： k=0.2079e-5,b=0.3307e-5 3.2.2用plot函数绘与的拟合图2Matlab程序：x1=10:5:55;k=2, y1=a(1)*x1+a(2); plot(x,y,*,x1,y1,k),xlabel(P),ylabel(I),grid on,Matlab拟合图见图2图2 Matlab绘与的拟合图所以拟合直线方程为:4 Matlb软件最小二乘法误差分析计算4.1 Matlab程序： yn=a(1)*x+a(2),xn=(y-a(2)/a(1), sigmayn=sqrt(yn-y)*(yn-y)/(k*(k-1), %的绝对误差 sigmaxn=sqrt(xn-x)*(xn-x)/(k*(k-1), %的绝对误差 xp=mean(x),yp=mean(y),Lxx=(x-xp)*(x-xp), % Lxy=(x-xp)*(y-yp),Lyy=(y-yp)*(y-yp), r=Lxy/sqrt(Lxx*Lyy), 线性相关系数r R=a(1)/(4*5.893*0.0000001)， %曲率半径R0=0.88,deth=(R-R0)/R0, %百分差y2=0.000107,x2=50,b=a(2),sigmah=R*sqrt(sigmayn/(y2-b)2+(sigmaxn/x2)2), % deth1=sigmah/R, %相对不确定度4.2误差结果得：sigmayn =9.9912e-007sigmaxn =0.4807sigmah =0.012r =0.9999R =0.8818deth =0.0020death1=0.0136线性相关系数r =0.9999接近于1，说明k、b的值准确性高且可用，拟合直线方程为:线性拟合度高。曲率半径的最佳值： .的绝对误差=sigmayn =9.9912e-007，的绝对误差=sigmaxn=0.4807，R的绝对误差=sigmah=0.012。5实验结论 通过上面用Matlab软件的功能函数对实验数据进行处理，很快得到如下实验结果：平凸透镜的曲率半径：相对不确定度：百分差：根据上面的数据处理和误差分析可知， Matlab软件的功能函数最小二乘法对牛顿环实验进行数据处理精度高，而且程序运行简便，计算快捷、高效；因此, 大学生在物理实验中用Matlab软件对牛顿环实验进行数据处理，是对传统的数据处理方法上的一种创新，提高了我们大学生学习积极性，同时也提高了大学物理实验的教学质量。参考文献1竺江峰,鲁晓东,夏雪琴.大学物理实验教程M.中国水利水电出社.2011.9 2陈怀琛，MATLAB及其在理工课程中的应用指南M .西安电子科技大学出版社.2001.InnovationMethodMatlab Software Processing Experimental Data inNewtonsRingXu Shaogang Xia Xueqin (Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022)Abstract: In this paper,using experimentalmeasurement of curvature radius ofringPlano convex lensonNewton with thefunctionof Matlab softwareof data processing,the dataprocessingprocess,improvethe accuracy of its results;but also improve the ability of our studentsapp