計(jì)算機(jī)模擬走入光學(xué)理論課堂

1、計(jì)算機(jī)模擬走入光學(xué)理論課堂計(jì)算機(jī)模擬走入光學(xué)理論課堂近二十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已浸透到社會(huì)消費(fèi)、生活的方方面面，各行各業(yè)對(duì)人才的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程度的要求也越來(lái)越高。信息技術(shù)的高速開展對(duì)高校培養(yǎng)大學(xué)生才能提出了新要求，即：不僅具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)具有較高的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程度。對(duì)物理類專業(yè)教學(xué)而言，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速開展為傳統(tǒng)的物理教學(xué)提供了新手段，開拓了新相貌。專業(yè)課教學(xué)與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，不但可以加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)進(jìn)步了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的才能。本文基于光學(xué)干預(yù)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬，展示了光源的非單色性對(duì)干預(yù)條紋襯比度的影響，進(jìn)而說(shuō)明計(jì)算機(jī)模擬如何與專業(yè)課的教學(xué)相結(jié)合，怎樣到達(dá)計(jì)算

2、機(jī)教學(xué)和專業(yè)課教學(xué)的相伴相長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有30%的物理論文需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬，因此物理教學(xué)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助是非常必要的，此外光學(xué)課程的特點(diǎn)為計(jì)算機(jī)模擬與專業(yè)課程相結(jié)合提供了很好的載體。首先，光學(xué)課程一般在大二階段開設(shè)，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)有了一定的計(jì)算機(jī)根底編程知識(shí)，為計(jì)算機(jī)模擬走入光學(xué)課堂提供了保障。其次，光學(xué)現(xiàn)象豐富多樣，可視化強(qiáng)，而計(jì)算機(jī)模擬可逼真再現(xiàn)光學(xué)現(xiàn)象，為計(jì)算機(jī)模擬走入光學(xué)課堂提供了可操作性。再次，計(jì)算機(jī)模擬可以通過(guò)調(diào)節(jié)各參數(shù)展示各物理量對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的影響，并且不同的圖樣可同時(shí)呈如今一張圖片上，方便比對(duì)圖像變化，有利于加深學(xué)生對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)掌握。光的干預(yù)、衍射是光的根本現(xiàn)象，它們提醒了光的

3、波動(dòng)性，是波動(dòng)光學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容，并且是研究光源性質(zhì)以及認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)的重要工具。本文以楊氏雙縫干預(yù)為例，展示了在光的干預(yù)教學(xué)中可充分應(yīng)用演示型模擬、實(shí)驗(yàn)性模擬、討論性模擬和應(yīng)用型模擬，分階段分層次地引發(fā)學(xué)生興趣激發(fā)求知欲望深化知識(shí)的掌握討論物理現(xiàn)象的應(yīng)用，到達(dá)良好的教學(xué)效果。首先，應(yīng)用演示型計(jì)算機(jī)模擬引發(fā)學(xué)生興趣。楊氏雙縫干預(yù)是通過(guò)兩個(gè)狹縫的光在空間振動(dòng)的相干疊加，形本錢文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理明暗干預(yù)條紋。對(duì)于低年級(jí)大學(xué)生而言，這種干預(yù)現(xiàn)象是新穎和奇妙的，因此理論課堂上對(duì)這一現(xiàn)象的演示能充分引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是，在課堂上進(jìn)展真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示較難實(shí)現(xiàn)，一方面實(shí)驗(yàn)儀器不易搬動(dòng)，另一方面實(shí)驗(yàn)

4、儀器操作耗時(shí)太多。而應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)展演示更方便省時(shí)，并且可到達(dá)很好的教學(xué)效果。當(dāng)前的大學(xué)教室普遍裝有計(jì)算機(jī)和投影儀，光學(xué)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬演示僅僅在于運(yùn)行一個(gè)小程序，在一秒鐘之內(nèi)光學(xué)現(xiàn)象的演示即可投影到屏幕上。然后，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)性計(jì)算機(jī)模擬激發(fā)學(xué)生求知欲望。老師通過(guò)改變程序中縫寬和縫到屏的間隔 ，考察模擬干預(yù)場(chǎng)條紋的變化，進(jìn)而發(fā)問(wèn)為什么會(huì)有這種變化，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲望，從而自然的引入楊氏雙縫干預(yù)的理論內(nèi)容。波長(zhǎng)為的單色光入射到雙縫，通過(guò)雙縫的光強(qiáng)分別為的兩束光到達(dá)同一場(chǎng)點(diǎn)x處，其光程分別為。兩束光相干疊加后，場(chǎng)點(diǎn)x處總光強(qiáng)為。屏上不同位置，兩束光的相位差不同，干預(yù)光強(qiáng)亦不同。隨著場(chǎng)點(diǎn)到屏中心

5、間隔 的變化，干預(yù)光強(qiáng)呈周期性分布。進(jìn)而引出兩束光相干的根本條件，即相位差恒定，頻率一樣。再次仔細(xì)觀察演示的干預(yù)條紋特征，如條紋是等間距的，屏中心為亮條紋。從這些條紋特征入手，進(jìn)一步從理論上分析引起這些現(xiàn)象原因，得到干預(yù)條紋的間距公式。老師課前在程序中添加不同的縫寬以及縫到屏的間隔 的定義語(yǔ)句，在課堂中選用不同的定義語(yǔ)句，進(jìn)展多種實(shí)驗(yàn)性模擬演示，觀察干預(yù)條紋的變化，驗(yàn)證條紋間距公式，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。提問(wèn)：根據(jù)光強(qiáng)公式，可知屏上最大光強(qiáng)為：，最小光強(qiáng)為：。假設(shè)兩束光單獨(dú)存在的光強(qiáng)相等，根據(jù)條紋的襯比度定義：可得此時(shí)的條紋襯比度為1，即條紋最明晰。接著，應(yīng)用討論性計(jì)算機(jī)模擬加強(qiáng)學(xué)生對(duì)干預(yù)現(xiàn)象

6、的掌握。老師提問(wèn)，為什么在楊氏干預(yù)實(shí)驗(yàn)中用了單色光，條紋的襯比度高，條紋明晰，假設(shè)用非單色光進(jìn)展實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象。進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生考慮，到達(dá)加深學(xué)生對(duì)干預(yù)現(xiàn)象的掌握的目的。老師在程序中改動(dòng)光源的波長(zhǎng)，讓學(xué)生觀察條紋寬度的變化。然后，使兩個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)照射狹縫，模擬用雙色場(chǎng)進(jìn)展楊氏干預(yù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，模擬結(jié)果如圖1所示。包含頻率1和2的雙色光源照射雙縫S1和S2，觀察屏上對(duì)應(yīng)兩套襯比度為1的明晰干預(yù)條紋，兩單色光的干預(yù)光強(qiáng)的非相干疊加使總光場(chǎng)的襯比度發(fā)生變化。圖1顯示，兩單色光的干預(yù)光強(qiáng)在屏中心處都達(dá)最大值，此處總光場(chǎng)的條紋襯比度近似為1，條紋非常明晰。隨著場(chǎng)點(diǎn)到屏中心的間隔 增大，兩套干預(yù)圖樣

7、的同一級(jí)明紋間距增大，直到1干預(yù)條紋的明紋處恰好對(duì)應(yīng)2干預(yù)條紋的暗紋，如圖2中兩條點(diǎn)劃線所示，此時(shí)總光場(chǎng)的條紋襯比度為0，條紋最模糊。場(chǎng)點(diǎn)到屏中心的間隔 繼續(xù)增大，觀察屏上條紋再次逐漸變的明晰?？梢?，雙色光源的雙縫干預(yù)光場(chǎng)的條紋襯比度隨場(chǎng)點(diǎn)到屏中心的間隔 呈現(xiàn)周期性變化。這一討論性計(jì)算機(jī)模擬，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)干預(yù)的條件之一：兩束光頻率一樣的掌握和理解。最后，采用應(yīng)用型計(jì)算機(jī)模擬，啟發(fā)學(xué)生對(duì)干預(yù)現(xiàn)象進(jìn)展應(yīng)用。考慮到嚴(yán)格的單色光源是不存在的，即便是單色性較高的激光也有一定的頻譜寬度。因此老師啟發(fā)學(xué)生，能不能應(yīng)用襯比度的變化測(cè)量激光脈沖的脈寬。采用光強(qiáng)與頻率關(guān)系為：的高斯型激光脈沖。屏中心附近區(qū)域

8、，條紋仍然明晰條紋襯比度高;隨著場(chǎng)點(diǎn)到屏中心間隔 的增大，條紋襯比度減小，甚至減小到零;場(chǎng)點(diǎn)間隔 繼續(xù)增大，條紋再次出現(xiàn)，但條紋的襯比度小;場(chǎng)點(diǎn)間隔 增大到一定程度，干預(yù)條紋消失。改變激光脈寬，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，屏中心條紋明晰的區(qū)域?qū)挾入S著激光脈寬的減小而增大。老師可啟發(fā)學(xué)生課后進(jìn)展考慮，在激光脈寬和中心干預(yù)條紋明晰區(qū)域建立數(shù)值對(duì)應(yīng)。計(jì)算機(jī)模擬中，曲線顯示如圖2和光強(qiáng)在屏上的平面展示如圖3相結(jié)合，更有利于分析光強(qiáng)的變化，這一點(diǎn)是真實(shí)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)模擬展示的過(guò)程中，老師可適當(dāng)演示計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)句的邏輯性，以及不同圖像顯示函數(shù)的奇妙功能，在專業(yè)知識(shí)的教學(xué)中，適當(dāng)激發(fā)大學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的興趣。老師以留課后作業(yè)的形式，讓學(xué)生自主模擬光學(xué)現(xiàn)象。學(xué)生必須深化理解光學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，才能針對(duì)相應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)展正確的模擬，因此光學(xué)現(xiàn)象的模擬過(guò)程同時(shí)是對(duì)光學(xué)知識(shí)的深化理解過(guò)程。計(jì)算機(jī)模擬作業(yè)在穩(wěn)固學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握上更優(yōu)于純粹的套用公式進(jìn)展計(jì)算的傳統(tǒng)作業(yè)。計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)現(xiàn)象，光場(chǎng)的干預(yù)圖樣明晰，可視化程度高，充分利用了高校多媒體教室的功能，操作方便快捷，并且可方便地改變參數(shù)考察現(xiàn)象的變化，有助于學(xué)生理解各參量對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的影響。在光學(xué)課堂中適時(shí)地應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬可以分層級(jí)起到引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的求知欲望，深化他們對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握以及討論物理現(xiàn)象的應(yīng)用，教學(xué)效果好。計(jì)算機(jī)模擬走入