近代物理实验-混沌通信原理及其应用.ppt

近代物理实验-混沌通信原理及其应用,研究混沌的意义,混沌的发现和混沌学的建立，同相对论和量子论一样，是对牛顿确定性经典理论的重大突破，为人类观察物质世界打开了一个新的窗口。许多科学家认为，20世纪物理学永放光芒的三件事是：相对论、量子论和混沌学的创立。,什么是混沌？,混沌是一种貌似无规则的运动，指在确定性非线性系统中，不需附加任何随机因素也可出现类似随机的行为。,蝴蝶效应一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风？,混沌的基本特征-对初始条件的敏感依赖性。,著名的洛伦茲吸引子：不论起始值如何设定，外观看來仍都是两个环圈。,混沌的基本特征-存在奇异吸引子。,自然界和社会中存在着各种各样的分形,其中有些是曲线或曲面,有一些形状是非常奇怪的,在科学和艺术中都找不到合适的术语来给它们命名.但是,它们都有一个共同的数学结构-粗糙和自相似.,混沌的基本特征-存在分形和自相似性。,1.测绘非线性电阻的伏安特性曲线，了解非线性电阻的特性。2.观察非线性电路出现倍周期现象并进入混沌的过程，了解混沌的产生。3.观察混沌同步现象，了解混沌同步的原理。4.了解混沌通讯的原理，观察模拟信号的加密解密效果。,实验目的,实验仪器,混沌通信实验仪,实验仪器,信号发生器示波器,实验原理-非线性电阻的伏安特性,非线性电阻伏安特性,对欧姆定律不适用的导体和器件，即电流和电压不成正比的电学元件叫做非线性元件。非线性元件表现出混沌现象,实验原理-混沌波形发生实验,蔡氏电路混沌发生实验,蔡氏电路混沌发生实验,单周期分岔,双周期分岔,四周期分岔,多周期分岔,单吸引子,双吸引子,实验原理-混沌同步波形实验,混沌同步：,实验原理-混沌同步波形实验,实验原理-混沌加密解密实验,混沌加密波形,混沌解密波形,解调解密,调制加密,实验内容与要求,要求：电压范围：-13V13V，线性部分可少测几个点，拐点位置测量点要多一些，在坐标纸上绘出伏安特性曲线。（每隔0.2V测一个点）,2.混沌发生实验。,要求：观察单元一倍周期分叉到混沌的现象。调节单元一，使其产生由周期一到周期二、到周期四等倍周期分叉现象，最后出现单吸引子和双吸引子混沌现象，并将其存储在U盘上。,1.测绘非线性电阻的伏安特性曲线。,调节单元二、三使他们处于混沌状态，并使他们同步，将同步效果存储在u盘上。,4.混沌掩盖加密解密实验,把掩盖信号和解密信号，存储在U盘上。,3.混沌同步实验,实验内容与要求,表1.非线性电阻的伏安特性测量,（1)以电压为横坐标，电流为纵坐标绘制非线性电阻的伏安特性曲线如图6-6-4所示。（2)找出曲线拐点，分别计算五个区间的等效电阻值。,数据表格,1.在拔出和插入模块前，一定要关闭实验仪电源。2.在调整混沌过程中，把W1(W2、W3)调到最大，再慢慢调小，出现很小的图形时，按下示波器的自动按键，使其自动选择合适显示档位。3.系统地混沌区域较小，一定要仔细调节，一旦出现混沌态，就不能再大幅度调节W1(W2)否则会失去混沌态，需重新调节。4.调节同步时，要仔细调节W4和W2。5.做完实验后，关闭电源，整理好仪器。,注意事项,混沌的应用,1.去海边游玩的时候，是否能测出海岸线的长度？其实，永远也测不出它的长度，因为它是分形的。使用的度量尺寸越精确，得出的结果就越长。2.股票动向。3.天气预报。,几种混沌的照片,几种混沌的照片,拓展研究内容：,1.简述混沌理论在通讯中的应用,1960年，美国麻省理工学院教授洛伦兹研究“长期天气预报”问题时，在计算机上用一组简化模型模拟天气的演变。他原本的意图是利用计算机的高速运算来提高技期天气预报的准确性。但是，事与愿违，多次计算表明，初始条件的极微小差异，均会导致计算结果的很大不同。由于气候变化是十分复杂的，所以在预测天气时，输入的初始条件不可能包含所有的影响因素（通常的简化方法是忽略次要因素，保留主要因素），而那些被忽略的次要因素却可能对预报结果产生重大影响，导致错误的结论。由此，洛伦兹认定，尽管拥有高速计算机和精确的测量数据（温度、风速、气压等），也难以获得准确的长期天气预报。,拓展研究内容-混沌与蝴蝶效应：,拓展研究内容-混沌与蝴蝶效应：,1979年12月，洛伦兹在华盛顿的美国科学促进会的一次讲演中提出：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风。他的演讲和结论给人们留下了极其深刻的印象。从此以后，所谓“蝴蝶效应”之说就不胫而走，名声远扬了。“蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省，不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩，更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。从科学的角度来看，“蝴蝶效应”反映了混沌运动的一个重要特征：系统的长期行为对初始条件的敏感依赖性。,