大学物理教学中基于转移矩阵法的薄膜干涉探讨

转移矩阵法是研究介质膜或势垒中的光子或电子输运的一种理论计算方法。本文结合广泛用于光学传输的转移矩阵方法,对“大学物理”中的劈尖干涉和牛顿环现象进行了数值模拟。研究发现转移矩阵方法不仅可以解决接触面为平面的劈尖干涉,还可以解决接触面为曲面的牛顿环现象。此研究不仅可以辅助课堂教学加深学生对薄膜干涉问题的理解,还可以激发学生对于科研的热情,培养学生利用数值计算方法解决生活中的实际问题。

面光源情况下的Newton环干涉条纹

给出了Newton环实验装置反射镜在非 45°角情况下 ,平凸透镜的曲率半径公式 ,通过分析推导了面光源情况下的平凸透镜曲率半径的公式 ,指出了这种情况下条纹的重叠 ,给出了不加透镜L或平行光管情况下平凸透镜的曲率半径公式 .

大学物理实验融入思政教育的实例探析

“课程思政”是高校实现立德树人根本任务的重要举措。《大学物理实验》课程是思政教育的良好载体。为了将思政教育思想更好地渗入到大学物理实验教学中,文章对《大学物理实验》进行了课程思政的总体教学设计,并以“牛顿环”课堂教学为例探讨如何将课程思政元素融入到大学物理实验教学的各个环节,给出学生评价,进行教学总结。

旋转对称二次曲面平凸透镜牛顿环研究

采用旋转对称二次曲面的标准面面形公式,对平凸透镜的牛顿环进行理论分析和数值仿真,给出描述牛顿环强度分布的数学表达式和光强分布曲线.研究结果表明,在顶点曲率半径和光波长给定时,当曲面的conic系数绝对值较小时,干涉光强分布可采用现有光学教材中的牛顿环近似表达式进行研究;当conic系数绝对值较大时,现有的牛顿环近似表达式将不再适用.

牛顿环条纹几何参数的自动视觉检测

论文基于牛顿环条纹图像结构特征,引入统计分析策略构建一种牛顿环条纹图像几何参数的自动视觉检测方法。根据条纹上任意点的梯度方向均指向圆环条纹圆心这一思想,使用邻域梯度方向算法获得圆心坐标;采用极坐标变换将圆形条纹变换为直条纹,借助灰度方向投影获得各级条纹半径。结果表明所提方法能够同时检测出圆心坐标与各级明和暗条纹半径,并能实现亚像素检测精度;计算过程无需对原始图像进行平滑滤波、阈值分割等预处理操作,方法自动化程度高、抗噪声能力强。

基于三角形收缩法改进的分数傅里叶变换估计牛顿环参数

针对分数傅里叶变换用于牛顿环参数估计时速度较慢的问题,通过分析牛顿环条纹图分数傅里叶域幅值最大值与相应旋转角的分布规律,提出基于三角形收缩法改进的分数傅里叶变换进行牛顿环参数估计的方法。实验结果表明:该方法具有可行性,对于图像尺寸小于640×640 pixels的条纹图,处理所需时间<1 s,随着图像尺寸增加,条纹图中包含的条纹数目增加,曲率半径估计值相对误差降低,而处理时间仍可满足工程实际需求。以处理1080×1080 pixels的图像为例,估计值相对误差为0.001%,处理时间为3.31 s。该方法估计720×720 pixels高斯噪声污损的牛顿环干涉条纹图像平均用时1.28 s,约为传统分数傅里叶变换用时的1/700。

不锈钢波纹换热片腐蚀泄漏原因分析

某工程用板式散热器在运行过程中,不锈钢波纹换热片发生了泄漏故障。为此,利用宏观形貌分析、化学成分分析、金相显微组织检测、扫描电子显微镜(SEM)微观形貌观察与X射线能谱分析(EDS)等方法对波纹换热片的泄漏原因进行了综合性分析。结果表明:波纹换热片表面的高温氧化膜特别是“牛顿环”中心的粗糙度较大,且该点为冷冲压槽的凸起处,位错密度较高;在长期运行过程中,Cl-于该位置不断聚集,形成孔蚀核,并最终诱发孔蚀。此外,在换热片基体中冷冲压残余应力的作用下,还会触发局部区域的应力腐蚀。随着孔蚀及应力腐蚀程度的不断加剧,波纹换热片的厚度逐渐减薄,并最终引发泄漏。建议对Cl元素来源和高温氧化膜的形成原因进行排查,从而制定针对性的改进措施。

基于干涉图样分析牛顿环表面的缺陷

针对牛顿环平板玻璃或平凸透镜会出现的多种质量及缺陷问题,根据不同的情况进行分析研究,模拟得出相应的干涉图样并分析质量问题和干涉图样变化的一致性。结果表明干涉图样的变化与器件所存在的质量问题相吻合,通过分析牛顿环干涉图样能够判断牛顿环的质量和缺陷问题,该研究结果对实际生产实践中如何针对质量和缺陷问题进行表面处理具有一定的指导意义。

圆锥面与抛物面组合的类牛顿环干涉图样研究

在普通(典型)牛顿环的基础上,讨论由直线旋转形成的圆锥面与二次曲线旋转形成的抛物面或平凸(平凹)透镜组合的类牛顿环的干涉图样.通过理论分析得出类牛顿环的光程差和光强公式,利用Mathematica仿真模拟出干涉图样,并讨论直线系数和二次函数系数大小对干涉图样的影响.研究类牛顿环干涉,有利于拓展对牛顿环干涉的理解,为类牛顿环实验提供新的方法.

变形牛顿环实验仿真平台设计及实现

根据牛顿环干涉原理,利用MATLAB GUI设计了变形牛顿环实验仿真平台,不仅可直观地观察和对比牛顿环的曲率半径、透镜距离、介质折射率、入射波长等参数对干涉图样的影响,还可实现干涉图样随影响因素的动态变化,这为等厚干涉的课堂教学手段提供了有益的补充,对增强学生的学习兴趣和提升学生的创新能力也起到一定的帮助。

基于牛顿环的拓展性实验方案设计

根据牛顿环等厚干涉的基本原理,在传统测量平凸透镜曲率半径的基础上,对牛顿环实验进行实验内容与实验方法方面的拓展.实验内容拓展包括测量介质折射率、单色光波长以及测量玻璃弹性模量,实验方法拓展包括用激光法和分光计法分别测量平凸透镜曲率半径.这些拓展性实验丰富了牛顿环等厚干涉的实验内容,促进了物理实验方法和实验技术的融会贯通,能够激发学生探索创新的热情,提高综合应用物理知识解决实际问题的能力.

牛顿环测量数据的不确定误差参数统计分析

牛顿环实验数据分析是大学物理实验中的重要问题,两种主要数据处理方法获得的牛顿环实验曲率半径通常存在着一定差异,且其测量误差不一定服从正态分布.为了准确估计曲率半径,需要更细致地对数据测量误差进行统计建模分析.频率学派不确定误差参数统计模型使用Gamma分布分析系统误差,具有对异常值不敏感的特性.基于牛顿环实际测量数据集,应用不确定误差参数统计模型可以得到更准确的牛顿环实验曲率半径估计值.

稳态视觉诱发电位的脑机接口范式及其信号处理方法研究

在概述国内外稳态视觉诱发电位脑机接口技术研究的基础上,针对传统稳态视觉诱发电位(SSVEP)在脑-机接口(BCI)系统应用中存在的问题,在范式设计方面,分别提出了基于牛顿环、高频组合编码和幅值调制的SSVEP的3种BCI范式。针对脑电信号微弱、辨识困难的问题,提出了基于随机共振机制的稳态运动视觉诱发电位增强方法;针对高频组合编码稳态视觉诱发电位(CCH-SSVEP)新范式响应信号的非平稳、弱信号特征,提出基于改进的希尔伯特黄变换的CCHSSVEP响应信号处理方法,提高了识别率。在系统应用方面,将牛顿环运动刺激范式与运动场景相结合,设计了场景结合导航技术,相对于传统方法,将刺激目标关联具体的物理位置,导航效率显著提升,将运动场景与刺激目标结合的所见即所得的方式提升了用户预选目标效率以及路线规划能力,同时也有利于用户集中注意力,提高脑电信噪比。最终,将该技术成功地应用于残疾轮椅的脑电导航控制中,取得了令人满意的效果。

基于LabVIEW的牛顿环实验动态仿真

虚拟仪器是现代仪器的一个主要发展方向,也是实验和教学的重要补充方式。本文基于LabVIEW设计了虚拟牛顿环实验演示仪,一方面,利用LabVIEW强大的功能模拟了牛顿环实验的光强分布图,使虚拟仪器的整个实验仿真过程动态、直观、形象,可直观地分析各参数对干涉结果的影响;另一方面,虚拟仪器的使用不受环境的限制,可为理论教学和实验教学过程所用,从而加强学生对光干涉理论的理解。

基于光干涉法的光学玻璃应力测量方法研究

以平板理论为基础,利用牛顿环应力变形导致干涉图样的微小变化,提出一种基于光干涉法测量玻璃体应力的无损测量方法。理论推导出牛顿环曲率半径与应力之间的变换关系,利用自行设计的可安装在牛顿环仪上的施压装置,实验研究了施加应力与干涉图样的变换关系,通过理论分析与实验比较,证明了用牛顿环干涉法测量应力的可行性。利用该装置及方法对光学玻璃试样的应力进行测量,测量结果与实际施加的应力进行比较,误差最小为0.8%。

对牛顿环干涉实验中若干问题的研究

该文对牛顿环实验中关于干涉条纹形成的定域、牛顿环中心暗斑和亮斑起因及其对测量结果影响、实验始测级数选取以及实验扩展等若干问题进行了分析及探讨。

红外成像系统中激光耀斑成因机理

在使用CO2激光干扰红外热像仪时发现了大面积同心圆环状激光耀斑。针对激光耀斑的形状,综合考虑等厚干涉的形成条件、等厚干涉条纹的形状、热像仪光学系统的结构、热像仪的光阑结构、光学元件在出现损伤后生成的衍射条纹形状、圆孔衍射的光斑形状、CO2激光的热效应等因素,对其成因从干涉、衍射和热像仪光阑二次成像等角度进行了分析,对部分原因进行了实验验证和仿真分析。研究结果表明:该激光耀斑是热像仪光学系统中的透镜组在激光多次作用后发生等厚干涉而形成的牛顿环。

等厚干涉实验中牛顿环暗纹直径自动测量方法

为满足远程实验测量需要,针对传统等厚干涉实验中牛顿环测量误差较大问题,提出一种牛顿环暗纹直径自动测量方法。与传统测量方法相比,该方法缩减了测量时间、提高了测量精度,测量得到的牛顿环曲率半径误差缩小到2.2%~2.7%范围内,并为实现等厚干涉实验的远程测控提供可靠的技术支持。

将牛顿环实验改造为综合性实验

对牛顿环实验的教学内容从4个方面进行了拓展,将该实验从验证性实验提升为综合性实验,有利于学生加深对等厚干涉现象的理解,激发了学生对物理实验的兴趣,提高了学生的综合能力。

再论牛顿环干涉装置的若干变异结构

依据光的波动本性及干涉原理,采用分类归纳的方法给出牛顿环干涉装置的其他几种变异结构及其统一的环纹分布规律,推导并分析了其干涉条件.理论推导表明:这些变异结构在环纹分布规律方面均等效于牛顿环干涉仪,并满足一个统一的公式:任意两环纹直径之平方差是一个无关于干涉序的恒量.同时发现:浅近切割式与非接触式牛顿环干涉结构在表面科学(如表面沉积及液 固湿润现象)研究方面以及在光学检测及微位移传感技术方面的应用前景;所述原理已得到实验的初步检验证明.